Synthesis and Structure–Activity Characterization of a Single-Site MoO2 Catalytic Center Anchored on Reduced Graphene Oxide

化学 表征(材料科学) 催化作用 石墨烯 氧化物 中心(范畴论) 结晶学 立体化学 纳米技术 有机化学 材料科学
作者
Yiqi Liu,Jiaqi Li,Anusheela Das,Hacksung Kim,Leighton O. Jones,Qing Ma,Michael J. Bedzyk,George C. Schatz,Yosi Kratish,Tobin J. Marks
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (51): 21532-21540 被引量:28
标识
DOI:10.1021/jacs.1c07236
摘要

Molecularly derived single-site heterogeneous catalysts can bridge the understanding and performance gaps between conventional homogeneous and heterogeneous catalysis, guiding the rational design of next-generation catalysts. While impressive advances have been made with well-defined oxide supports, the structural complexity of other supports and the nature of the grafted surface species present an intriguing challenge. In this study, single-site Mo(═O)2 species grafted onto reduced graphene oxide (rGO/MoO2) are characterized by XPS, DRIFTS, powder XRD, N2 physisorption, NH3-TPD, aqueous contact angle, active site poisoning assay, Mo EXAFS, model compound single-crystal XRD, DFT, and catalytic performance. NH3-TPD reveals that the anchored MoO2 moiety is not strongly acidic, while Mo 3d5/2 XPS assigns the oxidation state as Mo(VI), and XRD shows little rGO periodicity change on MoO2 grafting. Contact angle analysis shows that MoO2 grafting consumes rGO surface polar groups, yielding a more hydrophobic surface. The rGO/MoO2 DRIFTS assigns features at 959 and 927 cm-1 to the symmetric and antisymmetric Mo═O stretching modes, respectively, of an isolated cis-(O═Mo═O) moiety, in agreement with DFT computation. Moreover, the Mo EXAFS rGO/MoO2 structural data are consistent with isolated (C-O)2-Mo(═O)2 species having two Mo═O bonds and two Mo-O bonds at distances of 1.69(3) and 1.90(3) Å, respectively. rGO/MoO2 is also more active than the previously reported AC/MoO2 catalyst, with reductive carbonyl coupling TOFs approaching 1.81 × 103 h-1. rGO/MoO2 is environmentally robust and multiply recyclable with 69 ± 2% of the Mo sites catalytically significant. Overall, rGO/MoO2 is a structurally well-defined and versatile single-site Mo(VI) dioxo heterogeneous catalytic system.
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