Designing water resistant high entropy oxide materials

氧化物 计算机科学 材料科学 冶金
作者
Mengyuan Zhang,Ying Gao,Chengmin Xie,Xiaolan Duan,Xiaoyan Lu,Kongliang Luo,Jian Ye,Xiaopeng Wang,Xinhua Gao,Qiang Niu,Pengfei Zhang,Sheng Dai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 8306-8306 被引量:43
标识
DOI:10.1038/s41467-024-52531-y
摘要

The ubiquitous presence of moisture usually shows adverse effects on industrial catalysis. Herein, a concept of engineering entropy to design water-resistant oxide catalysts is proposed. The C3H6 oxidation by spinel ACr2O4 (A=Ni, Mg, Cu, Zn, Co) catalysts is selected as a model. Through DFT calculation, the adsorption energy of C3H6, the dissociation energy of molecular H2O on the oxide surface, and the formation energy of oxygen vacancy all suggest better performance induced by higher configurational entropy. Indeed, (Ni0.2Mg0.2Cu0.2Zn0.2Co0.2)Cr2O4 experimentally show excellent water resistance (>100 h) in C3H6 oxidation, while in sharp contrast binary oxides (e.g., NiCr2O4, CoCr2O4) are deactivated in 20 h. H2O-TPD, in-situ Raman, and in-situ FTIR all confirm the low H2O adsorption energy and strong hydrothermal stability of high entropy oxide, which is attributed to their lower Gibbs free energy. This work may inspire the rational design of water-resistant catalysts. Zhang et al. report an entropy engineering approach to design water-resistant oxide catalysts, (Ni0.2Mg0.2Cu0.2Zn0.2Co0.2)Cr2O4. This material shows excellent water resistance (>100 h) for C3H6 oxidation while other binary oxides deactivate within 20 h.
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