Local Electronic Structure Modulation of Interfacial Oxygen Vacancies Promotes the Oxygen Activation Capacity of Pt/Ce1–xMxO2−δ

离域电子 电子转移 催化作用 氧气 氧化物 空位缺陷 价(化学) 结晶学 费米能级 电子结构 金属 化学 电子 物理化学 化学物理 计算化学 物理 量子力学 生物化学 有机化学
作者
Weiping Yang,Fuyuan Qi,Wenjing An,Haochen Yu,Shutong Liu,Peipei Ma,Rui Chen,Shuangxi Liu,Lan‐Lan Lou,Kai Yu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 5936-5948 被引量:132
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c06234
摘要

The asymmetric oxygen vacancies on the surface of doped oxides and at the interface between the metal and oxide are commonly regarded as the real active sites for the molecular oxygen activation reaction, owing to their unique electronic perturbation properties. However, the essential rules for modulating the local electronic structure of oxygen vacancies to promote the oxygen activation capacity are still ambiguous. In this work, a series of interfacial oxygen vacancy sites, Pt/Ce–Ov–M (Ov, oxygen vacancy, M = Y, La, Pr, and Nd), with different local coordination environments were constructed based on Pt/Ce0.95M0.05O2−δ materials. The experimental data and theoretical calculation results prove that the interfacial Pt/Ce–Ov–M site can capture electrons from Pt d-bands and M d- and f-bands, acting as an electron enrichment center. The elevated M d-band center upward to the Fermi level can significantly boost the electron transfer from d-bands to the unoccupied π2p* orbital of O2, achieving O2 activation through the π-electron feedback mechanism. Remarkably, Pt/Ce–Ov–Y sites in Pt/Ce0.95Y0.05O2−δ with the highest delocalized electron density exhibited the best O2 activation behaviors and catalytic activity in the aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural. This work reveals that the activation of O2 over metal-oxide catalysts is highly dependent on the interfacial electron transfer and d/f-orbital valence-electron modulation, providing more insights into the effect of oxygen vacancy-localized electronic perturbation on the oxygen activation performance.
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