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Axial Co–O–Cu Pairs Enable Superexchange Interaction for Efficient Co IV =O Formation toward Water Purification

化学 超级交换 异核分子 催化作用 双原子分子 电子转移 原子轨道 化学物理 极化(电化学) 金属 丙胺 合理设计 离域电子 电子结构 自旋态 计算化学 亲核细胞 激发态 氮化碳 分子 轨道杂交 光化学 氮化物 反键分子轨道 键裂 结晶学 基态 水煤气变换反应 分子轨道 组合化学 轴对称性 物理化学 反应机理
作者
Fangyuan Chen,Ran Zhao,Hexiang Zhao,Qian Liu,Shiyi Zhao,Na Li,Zhurui Shen,Xian‐He Bu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (46): 43086-43097 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c16247
摘要

Heteronuclear dual-metal site catalysts (DACs) featuring unique coordination structures enable precise manipulation of metal spin-states, offering great potential for efficient peroxymonosulfate (PMS) activation. In particular, they enable highly efficient generation of high-valent cobalt-oxo (CoIV = O) species. However, the identification and mechanism functions of DACs with axially coordinated diatomic structures remain elusive. Herein, we show a DAC featuring axial Co–O–Cu (CoN4–O–CuN4) pairs embedded in carbon nitride (CoCu–CN). This unique configuration significantly stabilizes the medium-spin state of Co, thereby enhancing PMS activation for efficient CoIV = O generation. Combined experimental and theoretical analyses reveal that superexchange-mediated electron transfer from Co to Cu occurs via Co 3d (dxz/dyz) and O p (px/py) orbitals. This strong Co–O hybridization upshifts the d-band center to −0.41 eV, facilitating PMS adsorption. Furthermore, the orbital polarization optimization of the d orbitals in Co and Cu promotes the simultaneous cleavage of both O–O and O–H bonds for PMS, enabling direct CoIV = O formation. Consequently, this catalyst design achieves high degradation performance, including a sulfisoxazole degradation rate of 1.98 min–1 (5.8 times and 19.8 times higher than Co–CN and Cu–CN). This work establishes a new paradigm for designing PMS activation catalysts that concurrently exhibit spin activity and persistent stability.
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