Tailoring Cu + –O v –Ti Ensembles with Electrophilic O – Species for Enhanced Catalytic Toluene Oxidation

电泳剂 化学 催化作用 甲苯 苯甲醛 苯甲酸 光化学 氧气 烷基苯 离解(化学) 电子转移 活性氧 组合化学 反应中间体 亚砜 单独一对 有机化学 烷基化 卤化物 超氧化物 氧化物 路易斯酸 激进的 偶联反应
作者
Yarong Fang,Shiqi Ma,Zhixin Yu,L. K. Li,Yiqing Zeng,Jiahao Chen,Shipeng Wan,J. Joshua Yang,Yanbing Guo,Zhaoxiang Zhong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (6): 5122-5134 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c14437
摘要

The acceleration of industrialization has driven the increased emission of volatile organic compounds (VOCs), posing significant threats to both the ecological environment and public health. The deficiency of reactive oxygen species fundamentally restricts the low-temperature catalytic toluene combustion in transition-metal oxide catalysts. Herein, we report a strategy for intelligently designing active Cu + –O v –Ti ensembles by coupling isolated Cu with adjacent oxygen vacancy, which can synergistically activate chemisorbed O 2 into reactive superoxide species (O 2 – ). The defective Cu/TiO 2– x catalyst exhibited remarkable catalytic performance for toluene oxidation, achieving a T 90 of 225 °C, significantly 100 °C lower than that of the pristine Cu/TiO 2 catalyst. The low coordination geometry and electron transfer within Cu + –O v –Ti ensembles synergistically activated O 2 to form the Cu–(O–O) ad –Ti bridged superoxide O 2 – intermediate with an elongated O═O bond. In addition, the distinctive Cu–(O–O) ad –Ti bridging structure with localized electrons facilitated the chemisorbed O 2 dissociation into electrophilic monatomic O – species, which subsequently nucleophilically attack the methyl C–H of toluene. These benzyl alcohol-derived Ph–CH 2 –O – intermediates can be readily and flexibly converted into reactive benzaldehyde and benzoic acid species, which were available for subsequent aromatic ring-opening reactions. This study not only advances mechanistic insights into the Cu + –O v –Ti ensembles and electrophilic O – species in toluene catalytic oxidation but also establishes a design Cu + –O v –Ti principle for engineering efficient VOC elimination catalysts.
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