Oxygen Deficiency and Reactivity of Spinel NiCo2O4 (001) Surfaces

尖晶石 催化作用 吸附 密度泛函理论 化学 反应性(心理学) 材料科学 氧气 无机化学 物理化学 计算化学 医学 生物化学 替代医学 有机化学 病理 冶金
作者
X. Shi,Steven L. Bernasek,Annabella Selloni
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (7): 3929-3937 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.6b12005
摘要

We carried out density functional theory (DFT) calculations with on-site Hubbard U corrections to investigate the structure, defects, and reactivity of (001) surfaces of spinel NiCo2O4 (NCO), a promising catalyst for CO and methane oxidation. By examining surfaces with different Co/Ni compositions, we find that the formation of surface oxygen vacancies (VOs) on NCO(001) is strongly affected by the neighboring cation in the third layer, the computed formation energy being largest (∼1.2 eV) for O vacancies coordinated to third layer Co and smallest (∼0.5 eV) for VOs coordinated to a Ni neighboring another Ni ion. As a result, VO formation is generally much easier on NCO (001) than on Co3O4 (001) surfaces, suggesting that NCO may be a better catalyst than Co3O4 for oxidation reactions based on the Mars–Van Krevelen mechanism. Surface oxygen vacancies on reduced NCO surfaces can be healed through dissociative water adsorption at room temperature. In contrast, adsorption of molecular oxygen at VOs is energetically unfavorable under ambient conditions, suggesting that O2 adsorption may represent the thermodynamic limiting step for oxidation reactions on NCO(001) surfaces.
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