Regulating the coordination structure of single-atom Fe-NxCy catalytic sites for benzene oxidation

催化作用 苯 Atom(片上系统) 协调数 化学 苯酚 金属 选择性 氧原子 结晶学 光化学 分子 有机化学 离子 计算机科学 嵌入式系统
作者
Yuan Pan,Yinjuan Chen,Konglin Wu,Zheng Chen,Shoujie Liu,Xing Cao,Weng‐Chon Cheong,Tao Meng,Jun Luo,Lirong Zheng,Chenguang Liu,Dingsheng Wang,Qing Peng,Jun Li,Chen Chen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1): 4290-4290 被引量:477
标识
DOI:10.1038/s41467-019-12362-8
摘要

Atomically dispersed metal-N-C structures are efficient active sites for catalyzing benzene oxidation reaction (BOR). However, the roles of N and C atoms are still unclear. We report a polymerization-regulated pyrolysis strategy for synthesizing single-atom Fe-based catalysts, and present a systematic study on the coordination effect of Fe-NxCy catalytic sites in BOR. The special coordination environment of single-atom Fe sites brings a surprising discovery: Fe atoms anchored by four-coordinating N atoms exhibit the highest BOR performance with benzene conversion of 78.4% and phenol selectivity of 100%. Upon replacing coordinated N atoms by one or two C atoms, the BOR activities decrease gradually. Theoretical calculations demonstrate the coordination pattern influences not only the structure and electronic features, but also the catalytic reaction pathway and the formation of key oxidative species. The increase of Fe-N coordination number facilitates the generation and activation of the crucial intermediate O=Fe=O species, thereby enhancing the BOR activity.
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