Surface Hydrogen Bond-Induced Oxygen Vacancies of TiO2 for Two-Electron Molecular Oxygen Activation and Efficient NO Oxidation

电子转移 氧气 共价键 光化学 化学 电子结构 光催化 氧化还原 化学工程 材料科学 催化作用 无机化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Huan Shang,Hongbao Jia,Wenbin Zhang,Shuangjun Li,Qing Wang,Qingyu Yang,Chi Zhang,Yuxin Shi,Yongjie Wang,Pengpeng Li,Yucheng He,Shuning Xiao,Ding Wang,Dieqing Zhang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (48): 20400-20409 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06593
摘要

Defect engineering can provide a feasible approach to achieving ambient molecular oxygen activation. However, conventional surface defects (e.g., oxygen vacancies, OVs), featured with the coordinatively unsaturated metal sites, often favor the reduction of O2 to •O2- rather than O22- via two-electron transfer, hindering the efficient pollutant removal with high electron utilization. Herein, we demonstrate that this bottleneck can be well discharged by modulating the electronic structure of OVs via phosphorization. As a proof of concept, TiO2 nanoparticles are adopted as a model material for NaH2PO2 (HP) modification, in which HP induces the formation of OVs via weakening the Ti-O bonds through the hydrogen bond interactions. Additionally, the formed Ti-O-P covalent bond refines the electronic structure of OVs, which enables rapid electron transfer for two-electron molecular oxygen activation. As exemplified by NO oxidation, HP-modified TiO2 with abundant OVs achieved complete NO removal with high selectivity for benign nitrate, superior to that of pristine TiO2. This study highlights a promising approach to regulate the O2 activation via an electronic structure modulation and provides fresh insights into the rational design of a photocatalyst for environmental remediation.
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