Identification of Fenton-like active Cu sites by heteroatom modulation of electronic density

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作者
Xiao Zhou,Ming‐Kun Ke,Gui‐Xiang Huang,Cai Chen,Wenxing Chen,Kun Liang,Yunteng Qu,Jia Yang,Ying Wang,Fengting Li,Han‐Qing Yu,Yuen Wu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (8) 被引量:118
标识
DOI:10.1073/pnas.2119492119
摘要

Developing heterogeneous catalysts with atomically dispersed active sites is vital to boost peroxymonosulfate (PMS) activation for Fenton-like activity, but how to controllably adjust the electronic configuration of metal centers to further improve the activation kinetics still remains a great challenge. Herein, we report a systematic investigation into heteroatom-doped engineering for tuning the electronic structure of Cu-N4 sites by integrating electron-deficient boron (B) or electron-rich phosphorus (P) heteroatoms into carbon substrate for PMS activation. The electron-depleted Cu-N4/C-B is found to exhibit the most active oxidation capacity among the prepared Cu-N4 single-atom catalysts, which is at the top rankings of the Cu-based catalysts and is superior to most of the state-of-the-art heterogeneous Fenton-like catalysts. Conversely, the electron-enriched Cu-N4/C-P induces a decrease in PMS activation. Both experimental results and theoretical simulations unravel that the long-range interaction with B atoms decreases the electronic density of Cu active sites and down-shifts the d-band center, and thereby optimizes the adsorption energy for PMS activation. This study provides an approach to finely control the electronic structure of Cu-N4 sites at the atomic level and is expected to guide the design of smart Fenton-like catalysts.
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