Engineering Active Surface Oxygen Sites of Cubic Perovskite Cobalt Oxides toward Catalytic Oxidation Reactions

催化作用 化学 氧化钴 氧气 氧化物 过渡金属 钙钛矿(结构) 无机化学 氧化还原 X射线光电子能谱 活动站点 光化学 化学工程 结晶学 有机化学 工程类
作者
Xinbo Li,Xiyang Wang,Junfang Ding,Mingwei Ma,Shuhua Yuan,Qilei Yang,Zhen Wang,Yue Peng,Cheng‐Jun Sun,Hua Zhou,Haozhe Liu,Yimin A. Wu,Keke Huang,Liping Li,Guangshe Li,Shouhua Feng
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (9): 6338-6350 被引量:99
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00139
摘要

Unraveling the role of surface oxygen sites in transition metal oxides during catalytic reactions has always been the focus of environmental and energy chemistry research. Herein, active surface oxygen sites of cubic perovskite cobalt oxide were engineered to comprehend their crucial role and catalytic mechanism at the molecular level. By removing those inert Sr/La–O termination layers, active oxygen sites were exposed on the Co terminated surface of Sr0.6La0.4CoO3−δ that furnished the dominant catalytic process of CO oxidation via the Mars–van Krevelen (MvK) mechanism. The fabrication of five-coordinate cobalt ions and the enhanced covalency of Co–O bonds not only optimize the surface electronic structure of Co 3d–O 2p, but also supply active surface oxygen sites, which effectively oxidizes CO to CO2 with a significantly improved oxidation performance and stability as evidenced by soft/hard XAS, XPS, and O2-TPD. Furthermore, online isotopic 18O2 mass spectrometry, in situ DRIFTS, and theoretical simulation demonstrate that the activity of surface oxygen sites enhances the kinetics of the MvK reaction, while unsaturated coordination sites from five-coordinate cobalt ions primarily contribute to the activated oxygen molecules and the stable catalytic cycle. The results reported here provide a deep insight into the comprehension of the relationships among active oxygen sites, surface electronic structure, and the reaction mechanism of transition metal oxides necessary for catalytic oxidation reactions.
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