Dual-Atomic Fe Sites with d−d Orbital Coupling for Efficient Conversion of Benzene to Phenol

催化作用 苯酚 联轴节(管道) 光化学 材料科学 化学 能量转换效率 结晶学 密度泛函理论 甲烷氧化偶联 苯衍生物 联苯 无机化学 物理化学
作者
Shuchun Li,Jiabin Chen,Ruiyi Wang,Jiwei Hou,Wen Wen,Li Zhang,Fangfang Yang,Yu Tang,Changsheng Cao,Zailai Xie
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c02115
摘要

Heterogeneous dual-atom catalysts (DACs) are promising due to synergistic effects, but precise synthesis with defined electronic structures and high metal loading remains challenging. Herein, we report Fe-based DACs with Fe loadings up to 9.7 wt %, which significantly improve the catalytic activity in direct benzene-to-phenol oxidation using H 2 O 2 at room temperature compared to the single-atom counterpart ( i.e., Fe/NC). Specifically, Fe 2 /NC achieved a benzene conversion of 92.3%, which is 6.3 times higher than that of Fe/NC (12.3%) under the same conditions, without sacrificing phenol selectivity (96.2% (Fe 2 /NC) vs 99.4% (Fe/NC)), making it among the best Fe-based catalysts reported to date. Meanwhile, the calculated TOF of Fe 2 /NC (190.0 h −1 ) is 3 times that of Fe/NC (64.5 h −1 ), further highlighting the significantly enhanced intrinsic activity of dual-atom sites. In situ ATR-IR spectra and DFT calculations reveal Fe−O species as the active sites and a distinct reaction pathway governed by Fe−Fe d−d orbital coupling. This electronic interaction upshifts the d-band center while selectively enhancing d xy and d z 2 orbital exposure near the Fermi level, strengthening hybridization with O-2p orbitals and benzene π systems. These synergistic effects lower the barrier of the rate-determining step and stabilize transition states. This work establishes an electronic orbital-level structure−activity relationship, emphasizing the crucial role of dual-atom sites.
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