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DFT insights into doping and oxygen vacancy effects on CO and CO₂ adsorptions over CuAl2O4 spinel surfaces

尖晶石 吸附 催化作用 化学 兴奋剂 氧气 空位缺陷 无机化学 化学工程 材料科学 结晶学 物理化学 冶金 有机化学 光电子学 工程类
作者
Rundong Wu,Li Li,Zhang‐Hui Lu,Chunyan Sun,Lihong Cheng,Runping Ye,Rongbin Zhang,Qiang Li,Gang Feng
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:434: 115502-115502 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2024.115502
摘要

• DFT + U study of CO/CO 2 adsorptions on Fe, Co, Ni-doped CuAl 2 O 4 spinel catalysts. • CO adsorption on (1 0 0) is stronger than (1 1 0) across all M-doped CuAl 2 O 4 surfaces. • Fe, Ni-doping boost CO poisoning resistance and hinder oxygen vacancy formation. • Co-doping promotes O V formation and CO adsorption via the “CO 3 ”-like structure. • Oxygen vacancy on Fe, Ni-doped surfaces increase CO/CO 2 adsorptions. Introducing transition metals into CuAl 2 O 4 spinel enhances catalyst stability and Cu sintering resistance in methanol steam reforming. Yet, the influence of doping on vacancy formation and the adsorption behaviors of CO 2 (the primary product) and CO (the notorious byproduct) remains unclear. Herein, we employed DFT + U to investigate CO and CO 2 adsorption on perfect, M-doped (Fe, Co, and Ni), and M-doped oxygen-deficient CuAl 2 O 4 spinel (1 0 0) and (1 1 0) surfaces. We find that stronger CO adsorption on (1 0 0) than (1 1 0) surfaces across all M-doped surfaces, while CO 2 adsorbs more stronger on (1 1 0) surfaces. The weakened CO adsorptions are observed on Fe and Ni-doped surfaces, demonstrating that doping plays a significant role in improving the resistance to CO poisoning. Co-doping promotes CO adsorption via a CO 3 -like structure on CuAl 2 O 4 (1 1 0) surface and boosts the CO oxidation. Furthermore, infrared spectroscopy simulation indicates that the vibrational frequencies for CO linear adsorption, formation of bent CO 2 - and CO 3 -like structures are within the ranges of 2042–2078, 1463–1566, and 1497–1816 cm −1 , respectively. In addition, Ov on Ni-doped surfaces can significantly strengthen the CO 2 adsorption by 0.6–1.3 eV, highlighting the doping and oxygen-defect engineering in enhancing the CO 2 capture. This research uncovers the critical impact of metal doping and oxygen vacancies on CO and CO 2 adsorptions over CuAl 2 O 4 spinel catalyst, providing insights for developing catalysts with improved resistance to CO poisoning and enhanced CO oxidation which is vital for methanol steam reforming.
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