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天津大学胡文平团队NC论文:N-CuO上的Pauling型吸附氧诱导电催化单线态氧的产生,用于有机污染物的降解

时间:2022-10-12 来源: 浏览:

天津大学胡文平团队NC论文:N-CuO上的Pauling型吸附氧诱导电催化单线态氧的产生,用于有机污染物的降解

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第一作者: Liangbo Xie (天津大学)

通讯作者:胡文平 教授/展思辉 教授

通讯单位: 天津大学、南开大学

论文DOI: 10.1038/s41467-022-33149-4

成果简介

由于环境友好的操作和现场生产力,通过O 2 生产电催化单线态氧 ( 1 O 2 ) 在环境净化方面具有极大的兴趣。然而,O 2 在催化剂表面的侧向构型会导致H 2 O的形成,严重限制了 1 O 2 生产的选择性和活性。近日,天津大学胡文平团队和南开大学展思辉团队联合在Nature子刊Nature Communications上发表题为“ Pauling-type adsorption of O2 induced electrocatalytic singlet oxygen production on N–CuO for organic pollutants degradation”的研究型论文。作者展示了一种稳健的N掺杂 CuO(N-CuO),在 N-Cu-O 3 位点具有Pauling-type(端接)吸附O 2 ,用于在直流电场下选择性生成 1 O 2 。他们提出O 2 的Pauling-type构型不仅降低了整体活化能垒,而且改变了形成 1 O 2 而不是H 2 O的反应途径,这是决定Cu-O键解离选择性的关键特征,而不是O-O键。所提出的N掺杂剂策略适用于一系列过渡金属氧化物,为现有的高性能电催化 1 O 2 生产提供了通用的电催化剂设计方案。

图文导读

a  Schematic of the molecular oxygen activation pathway of “side-on” and “end-on” adsorption configuration on the catalyst surface.  b  Fluorescence response of SOSG upon treatment with CuO and N–CuO within 240 min (λ ex  = 504 nm and λ em  = 525 nm).  c  Excitation and emission spectra of DMA in 10 wt% acetonitrile in H 2 O upon treatment with N–CuO system. The excitation was recorded from 280 to 420 nm with λ em  = 425 nm.  d  HR-MS chromatogram of the typical DMA-O 2  from the oxidation of DMA in CuO and N–CuO EC system.  e  EPR spectra in CuO and N–CuO EC system using TEMP as trapping agents.  f  Degradation and first-order reaction kinetics of SMX removal in CuO and N–CuO EC system.  g  Comparison of electrocatalytic performances of metal oxides and the corresponding N-doped metal oxides in the  1 O 2  production process. Error bars represent the standard deviation from triplicate experiments.

作者利用N-CuO电催化剂在直流(DC)电场下使用O 2 直接电催化生产 1 O 2 ,其中Cu-O 4 的表面局部配位环境被调节为N-Cu-O 3 部分。结果表明,在电催化作用(electrocatalysis, EC)过程中,通过调整N掺杂CuO的电子结构和配位环境,实现了 1 O 2 的选择性生成,与未掺杂CuO电催化体系中H 2 O形成过程中产生的•OH中间体形成鲜明对比。

Structural characterization of N–CuO

a  Schematic presentation of CuO structure (Top: CuO, Bottom: Nitrogen substitution site.).  b  HAADF-TEM image of N–CuO. Inset is the corresponding FFT pattern. The corresponding atomic model ( c ) and the corresponding elemental mapping images ( d ) of N–CuO.  e  Cu  L -edge EELS spectra of CuO and N–CuO. Refined XRD profile ( f ) and Raman spectra ( g ) of the CuO and N–CuO.  h  TOF-SIMS of N–CuO.

a  High-resolution N 1 s  XPS spectrum of N–CuO.  b  Normalized Cu  K -edge XANES spectra of N–CuO and its reference samples (Cu foil, Cu 2 O, and CuO).  c, d  Fourier transform-EXAFS spectra ( c ) and WT-EXAFS plots ( d ) from Cu  K -edge XANES spectra.  e  EXAFS fitting analysis of N–CuO at R space.  f  Schematic optimized atomic coordination model of the N–CuO from EXAFS data.

1 O 2  production mechanism of N–CuO

a  O 2 -TPD profiles of CuO and N–CuO.  b  In situ Raman spectra of CuO and N–CuO in EC system with O 2 -satur ated solution. All potentials were referenced to saturated calomel electrode (SCE).  c  In situ FTIR spectra of  1 O 2  generation over N–CuO and CuO in EC system with O 2 -saturated solution.  d  Fluorescence response of SOSG under different applied potentials in EC system. Error bars represent the standard deviation from triplicate experiments.  e  EPR spectra for the detection of •OOH/O 2 •−  in the presence of DMPO (50 mmol L −1 ).  f EPR spectra of EC system with different sacrificial agents by using N–CuO.
结合实验和密度泛函理论(DFT)计算研究,发现O 2 在N-Cu-O活性位点上的吸附是“端接”型的,这促进了•OOH的形成,为 1 O 2 的选择性生成提供了一条有效的途径。该研究所提出的N掺杂剂策略适用于一系列过渡金属氧化物,为现有的高性能电催化 1 O 2 生产提供了通用的电催化剂设计方案。

a b  O 2  adsorption configurations and calculated differential charge densities on CuO (222) ( a ) and N–CuO (222) ( b ). Free energy diagrams of molecular oxygen activation process for N–CuO ( c ) and CuO ( d ). Key steps of  1 O 2  production for  e  N–CuO (222) and  f  CuO (222).

小结
综上所述,催化剂的选择性与吸附的中间产物和反应途径有关,然后证明了一种有效的改善金属氧化物生成 1 O 2 的选择性和活性的掺杂剂策略。综合表征结果显示,N-CuO中的N物种以O替代N的形式出现,Cu原子的配位环境与1个N和3个O配位,这被明确地确定为O 2 Pauling型吸附的活性位点,然后生成 1 O 2 。此外,DFT计算和光谱学特征表明,N掺杂导致与N原子围绕的Cu原子上的电荷消失,有利于Cu-O键而不是O-O键的断裂,这促进了*OOH的形成,这是 1 O 2 的重要前前驱体。这种方法是通用的,适用于各种电催化剂,包括CuO、CeO 2 、NiO等。结果,在N-CuO体系中获得了比CuO体系快6.0倍的SMX降解动力学。这项工作体现了原子配位环境和反应物的吸附构型之间的协同效应,为设计各种氮掺杂金属氧化物的电催化 1 O 2 生成反应开辟了策略,在环境修复方面的应用前景广阔。
作者介绍

Liangbo Xie , et al. Pauling-type adsorption of O2 induced electrocatalytic singlet oxygen production on N-CuO for organic pollutants degradation , Nature Communications , 2022

论文DOI: 

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33149-4

备注:  Permissions for the reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2022,  Springer Nature Inc.

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