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Modulating Intermediate Reactivity for Nitrogen Oxide Selective Catalytic Reduction through Dual Scaling Laws: A Synergetic In Situ Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy and Density Functional Theory Study

化学 密度泛函理论 原子轨道 反应性(心理学) 化学物理 漫反射红外傅里叶变换 催化作用 过渡状态 计算化学 氧化物 缩放比例 过渡金属 电子结构 分子轨道 傅里叶变换红外光谱 红外线的 轨道重叠 配位场理论 光谱学 傅里叶变换 多相催化 电荷密度 混合功能 从头算 红外光谱学 线性比例尺 含时密度泛函理论 分子物理学
作者
Wentao Mu,Wenbiao Zhang,Shichao Ma,Zile Zhang,Hongyan He,Shubin Liu,Xuehui Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (9): 10155-10163
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00844
摘要

Nitrogen oxide (NOx) abatement offers a viable way to mitigate air pollution, yet it continues to pose significant challenges in heterogeneous catalysis, calling for atomistic insights into how transition metal catalysts modulate reactivity. In this study, we integrate in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) with density functional theory (DFT) calculations to uncover the mechanistic principles underlying NOx selective catalytic reduction (SCR) on manganese-based catalysts. Our experimental-theoretical framework captures a sequence of NOx intermediates with strong agreement between computed and measured IR signatures, enabling detailed mapping of charge redistribution and orbital interactions at Mn active sites. We discovered distinct reactivity scaling laws for intermediates with Mn3+ and Mn4+: a Sabatier-type volcano trend for Mn3+-bound intermediates and a linear relationship for Mn4+-containing systems. Moreover, we identified a unifying electronic descriptor, defined as the Fermi-level corrected energy of Mn 3d orbitals with a maximal overlap to NOx O 2p orbitals, that quantitatively connects these dual regimes. This descriptor is consistent with ligand field theory and further captures the dynamic interplay of NOx adsorbates, demonstrating that the symmetry and alignment of transition-metal 3d orbitals govern both charge distribution and chemical reactivity. Since multivalence is a ubiquitous feature of transition metal catalysts, the dual scaling laws discovered in this work could provide a generally valid framework. These findings not only establish a mechanistic foundation for understanding valence-dependent SCR reaction pathways but also suggest a broader framework with predictive power for catalyst design based on electronic structure engineering.
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