Tunable Defect Chemistry in Nonstoichiometric WO x (0 < x < 3) Enables Diverse Catalytic Reactions

化学 催化作用 过渡金属 电子结构 空位缺陷 共价键 选择性 氧化态 氧气 八面体 氧化还原 电化学 金属 纳米技术 无机化学 晶体结构 化学计量学 化学物理 带隙 电子效应 光化学 阳极氧化 化学工程 单晶 析氧 组合化学
作者
Bupmo Kim,Kang Rae Cho,Wooyul Kim,Wonyong Choi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (15): 15683-15693
标识
DOI:10.1021/jacs.5c20967
摘要

Transition metal oxides (TMOs) offer rich catalytic functionality, yet controlling nonstoichiometry across broad composition ranges remains a significant challenge due to their intrinsic structural instability. Here, we show that a potassium-assisted anodization approach, combined with controlled annealing, enables the deliberate synthesis of wide-range nonstoichiometric tungsten oxides (WRNS-WO x, 0 < x < 3) exhibiting versatile catalytic properties. This approach stabilizes both oxygen-deficient WO x ( x < 2) and highly covalent WO x ( x > 2), as verified by atomic-scale structural and electronic characterization. Systematic tuning of the oxidation state leads to predictable changes in the crystal structure, evolving from a distorted octahedral WO 6 coordination toward bcc-like metallic features with progressive oxygen deficiency. This evolution concurrently reshapes the electronic band structure by modulating W–O hybridization and vacancy-derived states. The oxidation-state-dependent structural characteristics ultimately determine catalytic behavior, where strong W–O covalency in WO x ( x > 2) promotes photoelectrochemical oxygen evolution, while Bro̷nsted-acidic vacancy sites in WO x ( x < 2) favor selective electrochemical oxygen reduction reactions. This work establishes WRNS-WO x as a systematic platform for elucidating how the nonstoichiometry of TMO catalysts influences their electronic structure and active site. Furthermore, it offers a promising strategy for endowing transition metal oxides with programmable catalytic selectivity for both oxidative and reductive reactions.
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