Vacancy-EngineeredPerovskite Ferrites Stabilize AtomicRu Sites and Activate Lattice Oxygen for Photothermal Methane DryReforming

化学 催化作用 甲烷 脱氢 二氧化碳重整 合成气 钙钛矿(结构) 光化学 氧气 光热治疗 化学工程 双金属片 电子转移 卤化物 氧化物 原子氧 光催化 焦炭 无机化学 离解(化学) 吸附 多相催化 化学物理 光解 纳米技术 析氧 纳米晶
作者
Jilong Li,Ke Tang,Yueling Chen,Bo Su,Xiahui Lin,Xue Feng Lu,Kunlong Liu,Masakazu Anpo,Sibo Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05473
摘要

Abstract Photothermal dry reforming of methane (DRM) mediated by lattice oxygen (OL) via a Mars–van Krevelen pathway is a promising route for converting greenhouse gases into syngas. However, this strategy is limited by the instability of single-atom cocatalysts under reaction conditions and the sluggish migration of OL in conventional oxide supports. Here, we report a vacancy-engineered perovskite ferrite (LaFe1–xO3) that simultaneously stabilizes atomic cocatalysts and accelerates OL dynamics for efficient photothermal DRM. Introducing Fe defects generates robust anchoring sites for atomic Ru cocatalysts (Ru1) while weakening the La–O–Fe framework to promote OL mobility. The optimized Ru1/LaFe1–xO3 catalyst enables light-driven DRM without external heating, achieving high syngas production (H2: 53.6 and CO: 66.1 mol gRu–1 h–1), a methane turnover frequency of 1.3 s–1, and stable operation over 180 h. Mechanistic studies reveal that vacancy-induced electron localization facilitates OL migration, while photoinduced metal-to-metal charge transfer enriches Fe sites with electrons and activates surface OL with holes. This cooperative process selectively oxidizes CH3* to CH3O*, suppressing deep dehydrogenation and coke formation. These findings propose defect engineering as a general strategy to couple atomic cocatalyst stabilization with OL activation for solar-driven catalytic transformations.
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