Engineering Nitrogen‐Coordinated Single‐Atom Catalysts for Efficient CO2 Cycloaddition

环加成 催化作用 碳酸丙烯酯 路易斯酸 环氧丙烷 过渡金属 化学 环氧化物 有机化学 物理化学 电化学 聚合物 环氧乙烷 电极 共聚物
作者
Jiayi Li,Keke Mao,Wanbing Gong,Zheyue Li,Shuaikang Sang,Jiawei Li,Guangyu Chen,Chuansheng Hu,Ran Long,Yujie Xiong
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202500594
摘要

Abstract Developing highly efficient nonprecious heterogeneous catalysts for the cycloaddition of carbon dioxide (CO 2 ) to cyclic carbonates is crucial but challenging in the modern chemical industry. Here, a facile and scalable molecules‐confined pyrolysis approach is demonstrated for the synthesis of nitrogen‐coordinated transition‐metal (TM) single‐atom catalysts (SACs). Moreover, the various coordination structures of metal centers and the forms of nitrogen species are successfully revealed. The designed TM SACs show excellent catalytic performance for the cycloaddition of CO 2 with epoxides to cyclic carbonates under solvent‐free mild conditions. Among them, the optimum Zn SAC with 13.2 wt.% Zn content achieves a >99% yield at 80 °C within 2 h for the cycloaddition of propylene oxide to propylene carbonate. The crucial comprehension of the relationship between performance and reaction mechanism over TM SACs with various metal centers and adjacent N species is further enhanced through experimental investigations and theoretical simulations. Significantly, the high density of Lewis acid–base sites (Zn and N species) can appropriately regulate the activation of epoxide and CO 2 and the reaction energy of cycloaddition, respectively, thus improving the CO 2 cycloaddition performance. This work provides a new insight into the design of highly active and stable SACs for efficient cycloaddition reactions.
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