Construction of Monoatomic-Modified Defective Ti4+αTi3+1-αO2−δ Nanofibers for Photocatalytic Oxidation of HMF to Valuable Chemicals

电子顺磁共振 X射线光电子能谱 材料科学 密度泛函理论 光催化 结晶学 物理化学 催化作用 化学 计算化学 核磁共振 生物化学 物理
作者
M. Wang,Shiying Fan,Xinyong Li,Jie Shi,Yan Mao,Yang Yang,Li Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (5): 5735-5744
标识
DOI:10.1021/acsami.3c14110
摘要

Efficiently upgrading 5-hydroxymethylfurfural (HMF) into high-value-added products, such as 2,5-diformylfuran (DFF) and 2,5-furan dicarboxylic acid (FDCA), through a photocatalytic process by using solar energy has been incessantly pursued worldwide. Herein, a series of transition-metal (TM = Ni, Fe, Co, Cu) single atoms were supported on Ti4+αTi3+1-αO2-δ nanofibers (NFs) with certain defects (Ov), denoted as TM SAC-Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs (TM = Ni, Fe, Co, Cu), aiming to enhance the photocatalytic conversion of HMF. A super HMF conversion rate of 57% and a total yield of 1718.66 μmol g-1 h-1 (DFF and FDCA) surpassing that of the Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs by 1.6 and 2.1 times, respectively, are realized when TM is Co (Co SAC-Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs). Experiments combined with density functional theory calculation (DFT) demonstrate that the TM single atoms occupy the Ti site of Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs, which plays a dominant role in the photo-oxidation of HMF. Raman, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electron paramagnetic resonance (EPR) characterizations confirm the strong electron local exchange interaction in TM SAC-Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs and demonstrate the substitution of Ti by the TM SACs. The projected density of states and charge density difference reveal that the strong interaction between metal-3d and O-2p orbitals forms Ti-O-TM bonds. The bonds are identified as the adsorption site, where TM single atoms on the surface of Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs reduce HMF molecule adsorption energy (Eads). Furthermore, the TM single atom modulates the electronic structure of TM SAC-Ti4+αTi3+1-αO2-δ NFs through electron transfer, leading to narrow band gaps of the photocatalysts and enhancing their photocatalytic performance. This study has uncovered a newer strategy for enhancing the photocatalytic attributes of semiconducting materials.
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