Intrinsic nanoparticle-single-atom interplays steering radical versus nonradical pathways in catalytic ozonation

纳米颗粒 激进的 钴 反应性(心理学) 催化作用 电子转移 离解(化学) 化学 光化学 组合化学 选择性 羟基自由基 金属 活性氧 电子效应 多相催化 氧气 密度泛函理论 超氧化物
作者
Ya Liu,Jiajia Yang,Yuxian Wang,Wanli Zhu,Kunsheng Hu,Zhang Liu,King Lun Yeung,Zhong‐Shuai Zhu,Chunmao Chen,Xiaoguang Duan,Shaobin Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 8790-8790 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-025-63847-8
摘要

Compositional heterogeneity in metal/nitrogen-doped carbons (M-N-Cs) complicates the fundamental elucidation of the intricate interplay between the active metal species that rule the reactivity of single atomic catalysts (SACs). This study unveils the electronic disruptions of cobalt nanoparticles (Co NPs) to the catalytic behaviors of cobalt single-atom (Co SA). The intense electronic communications between high-density Co NPs and Co SA sites lead to dissociation O3 on the high-spin Co SA sites to generate surface-confined hydroxyl radicals (•OH). However, the tandem electron transfer yields superoxide radical (O2•–) with low reactivity and remarkably reduce ozone utilization efficiency (OUE). In contrast, independent Co SA sites far or free from adjacent Co NPs induce a nonradical O3 activation regime, which markedly improves electron utilization efficiency (~2.9-fold), OUE ( ~ 3.0-fold), and turnover frequency (TOF, ~2.5-fold) of Co SA. The nonradical catalytic ozonation process demonstrates high adaptability to complex water matrices and maintains long-term stability in the treatment of real petrochemical wastewater. The deciphered electronic interplays between metal nanoparticles and single atom sites advance a new paradigm to regulate the selectivity of single atom catalysis. Single-atom catalysts, particularly metal/nitrogen-doped carbons, have become a versatile platform for fine-tuning electronic interactions with reactants and controlling thermodynamic selectivity. Here, the authors show that the catalytic ozonation activity of single-atomic Co–N₄ sites can be electronically modulated by adjusting the density of Co nanoparticles on the carbon matrix.
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