Enhancing nitrobenzene reduction to azoxybenzene by regulating the O-vacancy defects over rationally tailored CeO2 nanocrystals

硝基苯 空位缺陷 选择性 催化作用 密度泛函理论 化学 纳米晶 吸附 硝基 材料科学 光化学 无机化学 结晶学 物理化学 计算化学 纳米技术 有机化学 烷基
作者
Xueke Zhou,Yang Yang,Jiaben Wang,Weijia Ren,Shaojun Liu,Chenghang Zheng,Xiang Gao
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:572: 151343-151343 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2021.151343
摘要

The precise control of the selectivity of intermediates in nitrobenzene reduction is a time-honored challenge. Herein, we report a regulatory method for improving the selectivity of azoxybenzene using four rationally tailored CeO2 catalysts, whose exposed planes, acid–base chemistries, and defect properties in terms of Ce3+ cations and O-vacancies are optimized. Among the four catalysts, Spindle-structured CeO2, which has the largest concentration of Ce3+ cations and O-vacancy defects exhibits the highest nitrobenzene conversion rate. However, it exhibits a lower azoxybenzene selectivity (70.5%) than Rod-CeO2 (90.4%). Based on the semi-quantitative characterization results and the initial rates of the rate-determining step, the defect densities of the CeO2 catalysts are demonstrated to correspond to their catalytic selectivity. Density functional theory (DFT) calculations and in situ capping tests further reveal that the parent Ce3+ cations of O-vacancy defects serve as adsorption-activation sites for nitro groups of nitrobenzene. Moreover, the O-vacancy defects serve as the main active sites and conduce the over-reduction of azoxybenzene, which should be inhibited to improve the azoxybenzene selectivity. Therefore, regulating the O-vacancy defects at the moderate concentration is responsible for the satisfactory azoxybenzene yield of 90.4% exhibited by Rod-CeO2 nanocrystals.
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