Unveiling the Role of Ru–N 4 on Ru–N–C Single-Atom Catalyst in C–O/C–C Bonds’ Oxidative Cleavage in Lignin

化学 催化作用 木质素 解聚 活动站点 光化学 键裂 电子顺磁共振 氧化加成 氧化磷酸化 活动中心 密度泛函理论 亲核细胞 超氧化物 有机化学 配位复合体 猝灭(荧光) 吸附 组合化学 吸收光谱法 氧化还原 扩展X射线吸收精细结构 离域电子 激进的
作者
Yingxiang Zhao,Yingjie Zhao,Xin-yue Zhou,Haiwei Guo,Qiqi Yin,Yutao Jiang,H. Y. He,Na Liu,Gengbo Ren,Christopher M. A. Parlett,Changzhi Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (4): 3607-3617 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c08001
摘要

M–N–C single-atom catalysts (SACs) represent promising candidates owing to their atomically dispersed active sites and tunable catalytic properties and have shown broad potential in various catalysis reactions. However, the mechanisms and true active sites involved in lignin conversion, particularly oxidative depolymerization, remain unclear. Herein, a Ru–N–C SAC with a well-defined configuration, including coordination environment and coordination number, was synthesized via a straightforward ball-milling method for lignin oxidation. The Ru–N–C SAC prepared with 12 h of ball milling demonstrated high catalytic performance in the oxidative depolymerization of various β-O-4 model compounds and diverse lignin feedstocks. Structural analysis via X-ray absorption spectroscopy demonstrated that the Ru–N 4 motif constitutes the predominant coordination environment in Ru–N–C, which is regarded as the primary active site in activating O 2 into superoxide radicals, as confirmed by free-radical quenching experiments and electron paramagnetic resonance analysis; meanwhile, it also served as a basic site in polarizing C β –H bonds in β-O-4 that favored C–O/C–C bond cleavage, which was disclosed by CO 2 temperature-programmed desorption and electron localization function analysis. The critical role of Ru–N 4 in the activation of O 2 and C–O/C–C bond cleavage was further confirmed by density functional theory calculation, which indicated that the Ru–N 4 center exhibits strong adsorption toward both the O 2 and β-O-4 linkages. This work provides a deep understanding on the active sites within Ru–N–C SACs for lignin oxidative cleavage and offers great potential on the rational design of next-generation SACs in biomass valorization.
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