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 钨 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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