Tuning Oxygen Vacancies in Oxides by Configurational Entropy

催化作用 氧气 材料科学 氧化物 X射线光电子能谱 价(化学) 无机化学 金属 掺杂剂 物理化学 兴奋剂 化学工程 化学 冶金 有机化学 工程类 生物化学 光电子学
作者
Mengyuan Zhang,Xiaolan Duan,Ying Gao,Shuangshuang Zhang,Xiaoyan Lu,Kongliang Luo,Jian Ye,Xiaopeng Wang,Qiang Niu,Pengfei Zhang,Sheng Dai
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (39): 45774-45789 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.3c07268
摘要

Tuning surface oxygen vacancies is important for oxide catalysts. Doping elements with different chemical valence states or different atomic radii into host oxides is a common method to create oxygen vacancies. However, the concentration of oxygen vacancies in oxide catalysts is still limited to the amount of foreign dopants that can be tolerated (generally less than 10% atoms). Herein, a principle of engineering the configurational entropy to tune oxygen vacancies was proposed. First, the positive relationship between the configuration entropy and the formation energy of oxygen vacancies (Eov) in 16 model oxides was estimated by a DFT calculation. To verify this, single binary oxides and high-entropy quinary oxides (HEOs) were prepared. Indeed, the concentration of oxygen vacancies in HEOs (Oβ/α = 3.66) was higher compared to those of single or binary oxides (Oβ/α = 0.22-0.75) by O1s XPS, O2-TPD, and EPR. Interestingly, the reduction temperatures of transition metal ions in HEOs were generally lower than that in single-metal oxides by H2-TPR. The lower Eov of HEOs may contribute to this feature, which was confirmed by in situ XPS and in situ XRD. Moreover, with catalytic CO/C3H6 oxidation as a model, the high-entropy (MnCuCo3NiFe)xOy catalyst showed higher catalytic activity than single and binary oxides, which experimentally verified the hypothesis of the DFT calculation. This work may inspire more oxide catalysts with preferred oxygen vacancies.
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