Precisely constructing orbital coupling-modulated iron dinuclear site for enhanced catalytic ozonation performance

催化作用 反键分子轨道 共价键 键裂 化学 原子轨道 光化学 结晶学 有机化学 量子力学 物理 电子
作者
Wei Qu,Zhuoyun Tang,Su Tang,Tao P. Zhong,Huinan Zhao,Shuanghong Tian,Dong Shu,Chun He
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (16) 被引量:16
标识
DOI:10.1073/pnas.2319119121
摘要

The advancement of atomically precise dinuclear heterogeneous catalysts holds great potential in achieving efficient catalytic ozonation performance and contributes to the understanding of synergy mechanisms during reaction conditions. Herein, we demonstrate a “ship-in-a-bottle and pyrolysis” strategy that utilizes Fe 2 (CO) 9 dinuclear-cluster to precisely construct Fe 2 site, consisting of two Fe 1 -N 3 units connected by Fe-Fe bonds and firmly bonded to N-doped carbon. Systematic characterizations and theoretical modeling reveal that the Fe-Fe coordination motif markedly reduced the devotion of the antibonding state in the Fe-O bond because of the strong orbital coupling interaction of dual Fe d - d orbitals. This facilitates O-O covalent bond cleavage of O 3 and enhances binding strength with reaction intermediates (atomic oxygen species; *O and *OO), thus boosting catalytic ozonation performance. As a result, Fe dinuclear site catalyst exhibits 100% ozonation efficiency for CH 3 SH elimination, outperforming commercial MnO 2 catalysts by 1,200-fold. This research provides insights into the atomic-level structure–activity relationship of ozonation catalysts and extends the use of dinuclear catalysts in catalytic ozonation and beyond.
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