富氮碳鞘内阶梯层状Mo_(2)C异质结用于高效CO_(2)化学固定  

Functional ladder‐like heterojunctions of Mo_(2)C layers inside carbon sheaths for efficient CO_(2)fixation

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作  者:许玉帅 汪红辉 李奇远 张仕楠 夏思源 许冬 类伟巍 陈接胜[1] 李新昊 Yu-Shuai Xu;Hong-Hui Wang;Qi-Yuan Li;Shi-Nan Zhang;Si-Yuan Xia;Dong Xu;Wei-Wei Lei;Jie-Sheng Chen;Xin-Hao Li(School of Chemistry and Chemical Engineering,Frontiers Science Center for Transformative Molecules,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co.Ltd.,Shanghai 200062,China;Institute for Frontier Materials,Deakin University,Waurn Ponds Campus,Locked Bag 20000,Geelong Vic.3220,Australia)

机构地区:[1]上海交通大学化学化工学院,变革性分子前沿科学中心,上海200240 [2]上海化工研究院有限公司,上海200062 [3]迪肯大学前沿材料研究所,澳大利亚吉朗维多利亚

出  处:《Chinese Journal of Catalysis》2024年第3期138-145,共8页催化学报(英文)

基  金:国家自然科学基金(22071146,21931005);上海市科学技术委员会(20520711600).

摘  要:在多相催化体系中,开发具有高催化活性的多相催化剂是实现小分子绿色转化的核心.过渡金属碳化物,特别是碳化钼(Mo_(2)C),因其活性与贵金属相当且成本低廉,在小分子转化方面具有应用潜力.二维(2D)过渡金属碳化物因其平面结构两侧具有可暴露的活性位点,在小分子转化和能量储存方面受到越来越多的关注.然而,在催化剂或电极材料的批量制备过程中,二维层的堆积会导致表面活性位点损失,严重影响其性能.此外,层状材料的堆积还可能阻碍有机分子的有效传递,形成传质屏障,进一步影响催化过程.特别是,二维过渡金属碳化物表面的氧化会导致活性位点的大量损失,这已成为当前亟待解决的关键问题.因此,开发一种能确保层状Mo_(2)C材料的机械和化学稳定性的有效合成方法,对于推动其实际应用至关重要.本文利用可控氧扩散蚀刻法合成了一种富氮碳鞘包覆的“阶梯状”2D-Mo_(2)C异质结材料(2D-Mo_(2)C@NC).该材料因具有独特的阶梯层状结构和整流界面,可以显著促进CO_(2)与邻苯二胺的羰基化反应,并对CO_(2)与多种二胺衍生物的羰基化反应均表现出较好的催化活性.通过密度泛函理论计算和紫外光电子能谱分析发现,Mo_(2)C与NC壳层的接触界面形成了整流接触,导致电子从NC壳层流向Mo_(2)C,进而形成富电子的层状Mo_(2)C.随着NC壳层氮含量的增加,Mo_(2)C的电子富集程度逐渐增加.进一步的理论计算和CO_(2)程序升温脱附实验表明,CO_(2)吸附依赖于2D-Mo_(2)C的电子富集程度,并随2D-Mo_(2)C的电子富集程度增加而增强.这种电子富集特性使得2D-Mo_(2)C表面能够活化CO_(2)分子,形成高度扭曲的预吸附结构(键角为118.8°),有利于后续与二胺的羰基化反应.邻苯二胺与CO_(2)羰基化反应的吉布斯自由能计算结果表明,电子的富集程度对反应决速步的能垒影响较小.因此,推测CO_(2)分子在富电子Mo_(2The development of two-dimensional heterogeneous catalysts with highly exposed active site areas for heterogeneous catalytic systems is highly promising for achieving the green transformation of small molecules.2D transition metal carbides(TMCs)show great promise for catalysis and carbon capture but suffer from heavy aggregation and autooxidation.Mass transfer barrier is also a standard problem of lamellar TMCs caused by slight aggregation of layers.Here,we successfully developed a method to prepare“ladder-like”heterojunctions of Mo_(2)C layers confined inside nitrogen-rich carbon sheaths(2D-Mo_(2)C@NC)via an effective oxygen-diffusion etching strategy,acting as efficient catalysts for CO_(2)fixation.The enhanced electron enrichment of the as-integrated 2D-Mo_(2)C subunits induced by the Schottky barrier could further keep the exposed Mo_(2)C surface from possible autooxidation and aggregation confronted by conventional 2D TMCs.The experimental results and density functional theory(DFT)calculation further demonstrate that electron-rich Mo_(2)C could boost the adsorption and activation of CO_(2)for universal carbonylation of various diamines,providing a turnover frequency value(TOF)of 10.2 h^(–1) to produce benzimidazolone,which is 5.2 times of that of the state-of-the-art catalyst in the literature under even critical conditions.

关 键 词:电子富集2D-Mo_(2)C CO_(2)固定 肖特基异质结 羰基化 非均相催化 

分 类 号:O643.36[理学—物理化学] O644.1[理学—化学] X701[环境科学与工程—环境工程]

 

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