Structure, Bonding, and Catalytic Activity of Monodisperse, Transition-Metal-Substituted CeO2 Nanoparticles

化学 催化作用 过渡金属 分散性 纳米颗粒 微晶 氧化物 金属 掺杂剂 无机化学 氧化态 化学工程 物理化学 结晶学 纳米技术 兴奋剂 高分子化学 材料科学 有机化学 光电子学 工程类
作者
Joseph S. Elias,Marcel Risch,Livia Giordano,Azzam N. Mansour,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (49): 17193-17200 被引量:173
标识
DOI:10.1021/ja509214d
摘要

We present a simple and generalizable synthetic route toward phase-pure, monodisperse transition-metal-substituted ceria nanoparticles (M0.1Ce0.9O2-x, M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu). The solution-based pyrolysis of a series of heterobimetallic Schiff base complexes ensures a rigorous control of the size, morphology and composition of 3 nm M0.1Ce0.9O2-x crystallites for CO oxidation catalysis and other applications. X-ray absorption spectroscopy confirms the dispersion of aliovalent (M(3+) and M(2+)) transition metal ions into the ceria matrix without the formation of any bulk transition metal oxide phases, while steady-state CO oxidation catalysis reveals an order of magnitude increase in catalytic activity with copper substitution. Density functional calculations of model slabs of these compounds confirm the stabilization of M(3+) and M(2+) in the lattice of CeO2. These results highlight the role of the host CeO2 lattice in stabilizing high oxidation states of aliovalent transition metal dopants that ordinarily would be intractable, such as Cu(3+), as well as demonstrating a rational approach to catalyst design. The current work demonstrates, for the first time, a generalizable approach for the preparation of transition-metal-substituted CeO2 for a broad range of transition metals with unparalleled synthetic control and illustrates that Cu(3+) is implicated in the mechanism for CO oxidation on CuO-CeO2 catalysts.
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