Angew：用于CO氧化的Cu1/TiO2单原子催化剂中分子氧和表面晶格氧的双重活化

Nanoyu

2022-10-05

活性氧物种(ROSs)的产生是多相催化氧化过程中最重要的过程。在各种ROS中，化学吸附的O₂分子和具有最高氧化电位的活性表面晶格O^2-广泛参与多相催化氧化过程，它们通常产生在金属基多相催化剂的表面。目前人们尚未深入阐明O₂和表面晶格O^2-在一个活性金属位点上同时活化的深层机制。

近日，华中师范大学郭彦炳教授选择具有d¹⁰S¹电子构型和高d带中心的IB族金属之一的Cu和具有优异氧活化能力的广泛研究的载体TiO₂，通过简单的溶液方法设计和制备了Cu₁/TiO₂单原子催化剂。

文章要点

1）结合的铜物种被有效地捕获在TiO₂表面的Ti空位上。原子孤立的Cu¹⁺和相邻的O^2-和Ti⁴⁺在TiO₂框架中的杂化同时激活化学吸附的O₂和与Cu原子相邻的表面晶格O^2-。通过Cu₁-O-Ti杂化的电荷转移降低了Cu位点被占据的3d轨道，这促进了O₂分子在孤立的Cu1+和2配位表面晶格O_2c位点的化学吸附和活化。同时，Cu₁-O-Ti杂化降低了表面晶格O^2-物种的费米能级能量，产生了活性表面晶格O^2-。

2）化学吸附在O_2c位点的超氧化物O^2-物种最初在相对低的温度(80 ℃)下被活化，这通过E-R途径引发CO氧化。随着温度升高到200 °C左右，O₂的化学吸附受到极大的限制，而与Cu位置相邻的双活化表面晶格O2-通过MvK机制直接与CO分子反应。

3）由于孤立的Cu物种，同时活化的化学吸附的O₂分子和表面晶格O^2-之间的协同效应有效地促进了催化氧化性能。因此，这项工作不仅证明了分子氧和表面晶格氧的同时双重活化，而且扩展了对协同促进的催化氧化过程的理解，为原子水平的研究和实际应用提供了线索。

参考文献

Yarong Fang, et al, Dual Activation of Molecular Oxygen and Surface Lattice Oxygen in Single Atom Cu₁/TiO₂ Catalyst for CO Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202212273

https://doi.org/10.1002/anie.202212273