Interface-Transferring Electrons and Photogenerated Carriers in W18O49/N-Doped C to Boost Photothermocatalytic Ethanol Dehydration to Ethylene

脱水 兴奋剂 乙烯 电子 乙醇 材料科学 光化学 化学 化学工程 光电子学 有机化学 物理 催化作用 核物理学 生物化学 工程类
作者
Miao Yang,Ruizhe Li,Hua Xu,Hong Yuan,Shuxin Ouyang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (10): 4211-4221 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c10687
摘要

Ethanol, a biomass-derived platform molecule, can be converted into high-value products like ethylene via photothermocatalysis, offering a sustainable alternative to petroleum processes. Yet, further enhancement of catalytic performance needs the rational modulation of electronic concentration at the active site. Herein, we design a W18O49/nitrogen-doped carbon (NC) catalyst that uniquely integrates two distinct electrons: (i) directional electron transfer from NC to W18O49, and (ii) photogenerated carriers generated by W18O49 itself under light irradiation. This dual-channel electronic configuration enables efficient ethylene production from the ethanol dehydration reaction over an optimal W18O49/NC catalyst, achieving a 76.4 mmol gcat.–1 yield (62.3% conversion with nearly 100% selectivity for ethylene), which is 2.2-fold that of pristine W18O49 under identical irradiation conditions. Detailed characterization using electron paramagnetic resonance (EPR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) reveals that the interaction between interface-transferring electrons from the NC support and photogenerated carriers generates electron-rich active sites, thereby promoting C–O bond cleavage and facilitating the ethanol dehydration reaction. Apparent activation energy tests and in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) further demonstrate that interface-transferred electrons from the NC support play a more significant role in ethanol activation than photogenerated carriers. This study provides valuable insights into the mechanism of photothermocatalytic ethanol dehydration and offers a new strategy for the rational design of more efficient photothermal catalysts.
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