Ultralow-loading single-atom cobalt on graphitic carbon nitrogen with robust Co-N pairs for aerobic cyclohexane oxidation

环己烷 催化作用 吸附 化学 离解(化学) 选择性 光化学 密度泛函理论 无机化学 物理化学 有机化学 计算化学
作者
Enxian Yuan,Meixia Zhou,Guojun Shi,Panming Jian,Xu Hou
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:15 (10): 8791-8803 被引量:32
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4556-3
摘要

Selectively aerobic oxidation of cyclohexane using the homogeneous catalysts is an industrially important process, suffering from the difficult catalyst separation, low conversion and selectivity. Herein, a series of single-atom Co catalysts, possessing the ultralow Co loading of below 1.0 wt.‰, supported on mesoporous graphitic carbon nitrogen (Co/g-C3N4-w) were prepared by a simple adsorption method and applied into the cyclohexane oxidation. Characterization results demonstrate that the confinement effect of the voids in g-C3N4 facilitates the formation of the single-atom Co, which is stabilized by bonding with the pyridinic nitrogen of g-C3N4 and accompanied by the electron transfer from Co to g-C3N4. The catalytic performance presents an increasing trend with the increment of the Co loading, and the superior value with the conversion of 23.8% and selectivity of 95.6% is obtained over Co/g-C3N4-0.9. Kinetic study, density functional theory (DFT) calculations, and characterizations reveal that the decreased activation energy of cyclohexane oxidation over Co/g-C3N4-w can be attributed to the favorable dissociation activation of O2 molecules and decomposition of cyclohexylhydroperoxide (CHHP) intermediate on the coordination unsaturated single-atom Co as well as the enhanced adsorption of cyclohexane on the electron-rich g-C3N4 surface, boosting the cyclohexane oxidation following the surface catalytic mechanism. Distinctively, robust Co-N structures and hydrophobic nature of g-C3N4 contribute to the high stability of Co/g-C3N4-0.9 for cyclohexane oxidation.
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