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Thermally Stable Co@C 3 N 4 Single-Atom Catalysts for CO Oxidation: Atomic-Level Insights into Structure and Activity

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作者
Shuting Xiang,Qian Qian,Hong Zhang,Allison St. John,Weixuan Huang,Ryuichi Shimogawa,Ping Liu,N. Aaron Deskins,Gonghu Li,Anatoly I. Frenkel
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c03371
摘要

Single Co atoms supported on C 3 N 4 (Co@C 3 N 4 ) have demonstrated high activity and selectivity in photocatalysis. However, the investigation of structure–function relationships and reaction mechanisms under photocatalytic conditions is very challenging due to the complex conditions of light absorption, charge transfer, and catalysis. In this study, we employed thermal CO oxidation as a prototypical probe reaction to benchmark the intrinsic catalytic performance and track the active-site evolution of Co@C 3 N 4 . Single Co atoms were identified and shown to be the catalytically active sites for CO oxidation based on control experiments and isotope-labeling experiments. The Co sites remained atomically dispersed before, during, and after the reaction with temperatures up to 400 °C, as established by in situ X-ray absorption fine structure (XAFS) combined with density functional theory (DFT), FDMNES simulations, and dynamic-time-warping (DTW)-assisted X-ray absorption near edge structure (XANES) matching. Together with theoretical calculations, the integrated analysis reveals a stable coordination environment under reaction conditions, which correlates with sustained activity, establishing Co@C 3 N 4 single-atom catalysts as thermally stable CO oxidation catalysts. Beyond these findings, the current study provides a workflow for unambiguously assigning active sites in Co@C 3 N 4 for thermal CO oxidation. This workflow will aid the understanding of their behavior in photocatalysis in the future, where light-driven dynamics obscure direct structure–function links. Notably, this study provides fundamental insights for the rational design of robust single-atom catalysts and a foundation for the broader application of Co@C 3 N 4 catalysts in oxidation reactions.
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