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Toward Rational Design of Dual-Metal-Site Catalysts: Catalytic Descriptor Exploration
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2022-03-01 , DOI: 10.1021/acscatal.1c06015 Chuanyi Jia 1, 2 , Qian Wang 2, 3 , Jing Yang 4 , Ke Ye 2 , Xiyu Li 2 , Wenhui Zhong 1 , Hujun Shen 1 , Edward Sharman 5 , Yi Luo 2 , Jun Jiang 2
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2022-03-01 , DOI: 10.1021/acscatal.1c06015 Chuanyi Jia 1, 2 , Qian Wang 2, 3 , Jing Yang 4 , Ke Ye 2 , Xiyu Li 2 , Wenhui Zhong 1 , Hujun Shen 1 , Edward Sharman 5 , Yi Luo 2 , Jun Jiang 2
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Dual-metal-site catalysts (DMSCs) have emerged as a frontier in heterogeneous catalysis, while the underlying relationships connecting their dual-site synergistic effects on catalytic performance remain unclear. Here we present a comprehensive first-principles study of O2 activation and CO oxidation on a series of N-coordinated DMSCs. We discovered that the N3-coordinated-adjacent dual-metal model has stronger synergistic and dynamic effects, leading to much higher catalytic activity than others investigated. Based on this model, detailed comparisons of various metal combinations (M = Fe, Co, Ni, Cu, and Pt) show that Fe-containing combinations are generally more active than others. In particular, the Fe–Ni combination, owing to its preferential coadsorption of CO+O2 and highest activity is identified as the most promising candidate for CO oxidation. To explore some universal descriptors for catalytic performance of different combinations, various relationships (50 in total) were systemically studied. It is found that the designed electronic/spectral descriptors of charge transfer, average charge on metals, average d-orbital center on metals, and stretching vibrational frequency of reactants may reflect the binding ability/stability of O2 as lone reactant. However, for multiple reactants (CO+O2), the binding stability/reactivity of the key-species (O2) descriptor has better performance. The transferability of such descriptors to multimolecular catalysis was confirmed by applying them to NO oxidation. These novel descriptors highlight the importance of structure–activity relationships under reaction conditions, thus providing potential design strategies for high-efficiency DMSCs.
中文翻译：
走向双金属位催化剂的合理设计：催化描述符探索
双金属位点催化剂（DMSCs）已成为非均相催化的前沿，而将其双位点协同效应对催化性能的潜在关系仍不清楚。在这里，我们提出了对一系列 N 配位 DMSC的 O 2活化和 CO 氧化的综合第一性原理研究。我们发现 N 3配位相邻双金属模型具有更强的协同效应和动态效应，导致比其他研究的催化活性高得多。基于此模型，各种金属组合（M = Fe、Co、Ni、Cu 和 Pt）的详细比较表明，含铁组合通常比其他组合更活跃。特别是 Fe-Ni 组合，由于其优先共吸附 CO+O 2最高活性被确定为最有希望的 CO 氧化候选物。为了探索不同组合催化性能的一些通用描述符，系统研究了各种关系（总共50个）。发现设计的电荷转移电子/光谱描述符、金属上的平均电荷、金属上的平均d轨道中心和反应物的伸缩振动频率可以反映O 2作为单独反应物的结合能力/稳定性。然而，对于多种反应物 (CO+O 2 )，关键物种 (O 2) 描述符具有更好的性能。通过将这些描述符应用于 NO 氧化，证实了这些描述符对多分子催化的可转移性。这些新颖的描述符突出了反应条件下构效关系的重要性，从而为高效 DMSCs 提供了潜在的设计策略。
更新日期：2022-03-01
中文翻译：
走向双金属位催化剂的合理设计：催化描述符探索
双金属位点催化剂（DMSCs）已成为非均相催化的前沿，而将其双位点协同效应对催化性能的潜在关系仍不清楚。在这里，我们提出了对一系列 N 配位 DMSC的 O 2活化和 CO 氧化的综合第一性原理研究。我们发现 N 3配位相邻双金属模型具有更强的协同效应和动态效应，导致比其他研究的催化活性高得多。基于此模型，各种金属组合（M = Fe、Co、Ni、Cu 和 Pt）的详细比较表明，含铁组合通常比其他组合更活跃。特别是 Fe-Ni 组合，由于其优先共吸附 CO+O 2最高活性被确定为最有希望的 CO 氧化候选物。为了探索不同组合催化性能的一些通用描述符，系统研究了各种关系（总共50个）。发现设计的电荷转移电子/光谱描述符、金属上的平均电荷、金属上的平均d轨道中心和反应物的伸缩振动频率可以反映O 2作为单独反应物的结合能力/稳定性。然而，对于多种反应物 (CO+O 2 )，关键物种 (O 2) 描述符具有更好的性能。通过将这些描述符应用于 NO 氧化，证实了这些描述符对多分子催化的可转移性。这些新颖的描述符突出了反应条件下构效关系的重要性，从而为高效 DMSCs 提供了潜在的设计策略。
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