Interfacial Anchoring Ultrafine CuO x Nanoparticles on CeO 2 via Coordination Chemistry to Stabilize Cu + -O v -Ce 4+ Active Sites for CO Preferential Oxidation

双金属片 催化作用 材料科学 纳米颗粒 氧化物 化学工程 纳米技术 配位复合体 密度泛函理论 合理设计 协调数 金属 多相催化 亚稳态 氧气 活动站点 化学稳定性
作者
Junfang Ding,Changjin Xu,Xinyi Yao,Kunming Hou,Yinkang Yang,Dan Nong He,Hao Chai,Xiaomin Sun,Shanghong Zeng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (42): 58124-58135 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.5c13446
摘要

The development of ultrafine metal oxide nanoparticles anchored on reducible oxide supports with precisely engineered interfacial active sites has emerged as a critical frontier in heterogeneous catalysis. However, conventional synthesis strategies struggle to reconcile high loading with ultrafine dispersion, often leading to nanoparticle aggregation and compromised stability. Herein, we present a coordination chemistry-driven strategy integrating the hard–soft acid–base principle with a water-etching process to synthesize ultrafine CuO x nanoparticles anchored on CeO 2 . By exploiting the differential coordination affinities of Ce 3+ and Cu 2+ with carboxyl ligands in a bimetallic BTC precursor, selective segregation during solvothermal synthesis was achieved. Ce 3+ formed a stable framework with carboxyl groups, while Cu 2+ underwent a hydrolysis-induced migration to surface defect sites. Regulating the Cu 2+ /Ce 3+ ratio enabled precise control over CuO x dispersion, interfacial Cu–O–Ce bonding, and local structure. The optimized catalyst exhibited a remarkable Cu loading of 21.94% with high dispersion, lattice distortion, and enhanced metal–support interactions. Notably, the designed catalyst demonstrated exceptional stability under H 2 -rich streams, which achieved a CO conversion enhancement from 67.4 to 77.7% over 40 h through the interfacial stabilization of metastable Cu + -O v -Ce 4+ active configurations. Advanced characterization and density functional theory (DFT) calculations revealed that the enhanced interfacial Cu–O–Ce interactions and unsaturated coordinated CuO x species facilitated electron transfer, oxygen activation, and CO adsorption, synergistically boosting the catalytic performance via the Mars–van Krevelen mechanism. This work establishes a rational coordination chemistry-guided paradigm for designing high-performance catalysts with precisely engineered active sites.
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