Microscopic Investigation of H2 Reduced CuOx/Cu(111) and ZnO/CuOx/Cu(111) Inverse Catalysts: STM, AP-XPS, and DFT Studies

X射线光电子能谱 催化作用 氢溢流 氧化物 氧气 离解(化学) 无机化学 扫描隧道显微镜 化学 材料科学 化学工程 物理化学 纳米技术 冶金 有机化学 工程类 生物化学
作者
Vikram Mehar,Erwei Huang,Rui Shi,Ning Rui,Rina Rosales,Iradwikanari Waluyo,Adrian Hunt,Ping Liu,José A. Rodríguez
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (14): 9857-9870 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c02514
摘要

Understanding the reduction mechanism of ZnO/CuOx interfaces by hydrogen is of great importance in advancing the performance of industrial catalysts used for CO and CO2 hydrogenation to oxygenates, the water-gas shift, and the reforming of methanol. Here, the reduction of pristine and ZnO-modified CuOx/Cu(111) by H2 was investigated using ambient-pressure scanning tunneling microscopy (AP-STM), ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy (AP-XPS), and density functional theory (DFT). The morphological changes and reaction rates seen for the reduction of CuOx/Cu(111) and ZnO/CuOx/Cu(111) are very different. On CuOx/Cu(111), perfect "44" and "29" structures displayed a very low reactivity toward H2 at room temperature. A long induction period associated with an autocatalytic process was observed to enable the reduction by the removal of chemisorbed nonlattice oxygen initially and lattice oxygen sequentially at the CuOx–Cu interface, which led to the formation of oxygen-deficient "5–7" hex and honeycomb structures. In the final stages of the reduction process, regions of residual oxygen species and metallic Cu were seen. The addition of ZnO particles to CuOx/Cu(111) opened additional reaction channels. On the ZnO sites, the dissociation of H2 was fast and H adatoms easily migrated to adjacent regions of copper oxide. This hydrogen spillover substantially enhanced the rate of oxygen removal, resulting in the rapid reduction of the copper oxide located in the periphery of the zinc oxide islands with no signs of the reduction of ZnO. The deposited ZnO completely modified the dynamics for H2 dissociation and hydrogen migration, providing an excellent source for CO2 hydrogenation processes on the inverse oxide/metal system.
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