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?楊貴東ACS Catalysis: 構建低氧化態活性位點促進光催化固氮

本文制備了一種納米限制的尖晶石鐵鈷氧化物

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?楊貴東ACS Catalysis: 構建低氧化態活性位點促進光催化固氮
在環境條件下實現光催化氮還原反應(NRR)活性位點上的N2富集和N≡N鍵活化是一個長期追求的目標。在這里,西安交通大學楊貴東制備了一種納米限制的尖晶石鐵鈷氧化物(FeCo2O4),它具有低氧化態和更強的Fe對鐵活性位點的3d軌道供電子能力,可以有效地將電子轉移到N2的π*軌道上,以促進氮的活化。
此外,我們通過納米限域效應合理地控制了氮分子在納米限域內腔中的傳質,從而迫使鐵鈷氧化物半導體中的 N2富集。在這項工作中,納米限制鐵鈷氧化物光催化劑的 NRR性能達到 1.26 μmol h-1(添加10 mg光催化劑),是塊狀 FeCo2O4 的 3.7倍。我們提出的策略同時滿足氮的捕獲和氮的活化,并指導開發用于固氮的低氧化態鐵基光催化劑。
?楊貴東ACS Catalysis: 構建低氧化態活性位點促進光催化固氮
類似的性質也出現在圖 5a 中的尖晶石氧化鈷鐵中。Fe(II)和Co(III)原子的d帶中心值分別為-1.46和-1.68 eV,這表明鐵的低氧化態可以表現出更好的氮吸附性能。這種性質可以促進隨后的氮活化。FeCo2O4(311) d 軌道中 Fe 的能級與 N2 的 π* 軌道很好地對應,如圖 5b 所示,導致 N2 吸附產生 d-π* (unocc) 軌道的部分占據。強 d-π* (unocc) 反鍵軌道位于費米能級 (EF) 之上,這導致 Fe 的 d 軌道的電子部分轉移到 N2 的 π* 反鍵軌道上形成 Fe-N 鍵。電子轉移過程有效地激活了氮分子。此外,FeCo2O4中的Co原子在NRR過程中也起著重要作用,主要可分為以下兩個方面。首先,Co原子可以與Fe原子配位穩定地形成鈷鐵尖晶石,其中Co代表氧的立方密堆積中的八面體陽離子位點。其次,八面體金屬位點中Co原子的3d電子可以影響Fe 3d軌道的局部電子分布,提高Fe活性位點的給電子能力。
碎片軌道分析可以很好地支持圖 5c 中的上述計算結果,它依賴于 Fe-O-Fe 和N2的切向σt和πt分子軌道,可以形成兩個鍵合軌道和反鍵合軌道。Fe-*N2的鍵合軌道表明來自 Fe 的 d 軌道的電子遷移到 N2 中的空π*軌道,可能激活 N≡N 鍵以提高 NRR 性能。Fe活性位點的d軌道與π*反鍵軌道相互作用的過程被視為圖5d中的過程1。同時,Fe位點的空d軌道也可以接受來自N2的σg鍵合軌道的電子,軌道相互作用使得吸附在活性位點上的氮更容易被活化,有利于后續的光催化還原(過程2)。結果,隨著*N2不斷氫化成*NNH,孤立的Fe和H原子將更多的電子轉移到N2的π*反鍵軌道,孤立的Fe的d軌道與*NNH中的π*反鍵軌道重疊,進一步減弱N≡N 鍵。
He Li, Mengyang Xia, Ben Chong, Hang Xiao, Bin Zhang, Bo Lin, Bolun Yang, and Guidong Yang. Boosting Photocatalytic Nitrogen Fixation via Constructing Low-Oxidation-State Active Sites in the Nanoconfined Spinel Iron Cobalt Oxide. ACS Catal. 2022, 12, 16, 10361–10372
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02282

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