Constructing Active Cu2+–O–Fe3+ Sites at the CuO–Fe3O4 Interface to Promote Activation of Surface Lattice Oxygen

催化作用 脱氢 氧气 化学 过渡金属 金属 甲苯 X射线光电子能谱 X射线吸收光谱法 物理化学 光化学 吸收光谱法 化学工程 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Dandan Zhu,Yu Huang,Rong Li,Shiqi Peng,Pengge Wang,Junji Cao
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (45): 17598-17609 被引量:51
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c05431
摘要

Activating surface lattice oxygen (Olatt) through the modulation of metal-oxygen bond strength has proven to be an effective route for facilitating the catalytic degradation of volatile organic compounds (VOCs). Although this strategy has been implemented via the construction of the TM1-O-TM2 (TM represents a transition metal) structure in various reactions, the underlying principle requires exploration when using different TMs. Herein, the Cu2+-O-Fe3+ structure was created by developing CuO-Fe3O4 composites with enhanced interfacial effect, which exhibited superior catalytic activity to their counterparts, with T90 (the temperature of toluene conversion reaching 90%) decreasing by approximately 50 °C. Structural analyses and theoretical calculations demonstrated that the active Cu2+-O-Fe3+ sites at the CuO-Fe3O4 interface improved low-temperature reducibility and oxygen species activity. Particularly, X-ray absorption fine structure spectroscopy revealed the contraction and expansion of Cu-O and Fe-O bonds, respectively, which were responsible for the activation of the surface Olatt. A mechanistic study revealed that toluene can be oxidized by rapid dehydrogenation of methyl assisted by the highly active surface Olatt and subsequently undergo ring-opening and deep mineralization into CO2 following the Mars-van Krevelen mechanism. This study provided a novel strategy to explore interface-enhanced TM catalysts for efficient surface Olatt activation and VOCs abatement.
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