Metal Doping Activation of Anion-Mediated Electron Transfer in Catalytic Reactions

化学 催化作用 电子转移 金属 兴奋剂 光化学 离子 电子 无机化学 有机化学 光电子学 量子力学 物理
作者
Chaoyue Zhang,Jing Yu,Chenyang Huang,Guowen Sun,Ll. Balcells,Jiayue Li,Xuede Qi,Yi Cheng,Javier Herrero‐Martín,Laura Simonelli,François Fauth,Ren He,Xiaobo Pan,Junshan Li,Jordi Arbiol,Jinyuan Zhou,Andreu Cabot
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (8): 7070-7082 被引量:53
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18236
摘要

Heteroatom-doping has emerged as a transformative approach to producing high-performance catalysts, yet the current trial-and-error approach to optimize these materials remains ineffective. To enable the rational design of more efficient catalysts, models grounded in a deeper understanding of catalytic mechanisms are essential. Existing models, such as d-band center theory, fall short in explaining the role of dopants, particularly when these dopants do not directly interact with reactants. In this study, we synthesize various heteroatom-doped catalysts to explore the correlation between the electronic effects of the dopants and catalyst activity. Using Co-MoS2 as a model catalyst and the Li–S redox reaction within the cathode of Li–S batteries as a test system, we show the interaction between cobalt sites and adjacent lattice sulfur atoms disrupts the intrinsic structural and electronic symmetry of MoS2. This disruption enhances the transfer of spin-polarized electrons from metal centers to lattice sulfur and promotes the adsorption of reactant intermediates. Furthermore, by analyzing 20 different dopant elements, we establish a linear relationship between the electron density in the lattice sulfur and catalyst activity toward the reduction of sulfur species, a relationship that extends to other catalytic systems, such as the hydrogen evolution reaction.
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