Unveiling the Size Effects of Oxygen Vacancy Clusters in Toluene Combustion under Humid Conditions

催化作用 甲苯 二聚体 燃烧 氧气 星团(航天器) 催化燃烧 吸附 化学工程 工作(物理) 化学 化学物理 空位缺陷 光化学 簇大小 电子转移 密度泛函理论 催化氧化 活化能 计算化学 无机化学 催化循环
作者
Xin Wang,Qianlin Huang,Wensu Wu,Lu Lv,Weiming Zhang,Bingcai Pan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (37): 20041-20050 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c02323
摘要

Oxygen vacancy (OV) engineering, which involves increasing OV concentration, is one of the most effective strategies for enhancing the catalytic performance of environmental catalysts, particularly for volatile organic compounds (VOCs) combustion. However, this strategy often results in the aggregation of OV clusters, a phenomenon that has been largely overlooked in previous studies, despite its pronounced impact on catalytic performance. Herein, we demonstrate that the size of OV clusters governs the volcano-shaped dependence of catalytic activity for toluene oxidation under humid conditions. Experimental results and DFT calculations reveal that variations in OV cluster size significantly modulate H2O activation. In particular, dimer OV clusters promote rapid electron transfer and exhibit the lowest energy barrier for H2O dissociation, facilitating the formation of OH species. These OH species not only enhance the adsorption of toluene and intermediates but also act as reactive oxygen species that directly participate in the oxidation pathway, thereby improving toluene combustion under humid conditions. Consequently, MnO2-M with dimer OV clusters exhibits the highest activity (T90 = 222 °C) in the presence of 5 vol % H2O. This work provides new insights into the size-dependent effects of OV clusters and contributes to the rational design of high-performance catalysts based on OV engineering.
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