Mechanistic Insight into C–C Coupling over Fe–Cu Bimetallic Catalysts in CO2 Hydrogenation

双金属片 催化作用 化学 选择性 一氧化碳 光化学 动能 无机化学 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Xiaowa Nie,Haozhi Wang,Michael John Janik,Yonggang Chen,Xinwen Guo,Chunshan Song
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (24): 13164-13174 被引量:129
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b02228
摘要

Density functional theory (DFT) calculations were carried out to investigate the mechanism of CO 2 hydrogenation in production of C 1 and C 2 hydrocarbons over Cu–Fe bimetallic catalyst. CH* is found to be the most favorable monomeric species for production of CH 4 and C 2 H 4 via C–C coupling of two CH* species and subsequent hydrogenation. On the bimetallic Cu–Fe(100) surface at 4/9 ML Cu coverage, the energetically preferred path for CH* formation goes through CO 2 * → HCOO* → HCOOH* → HCO* → HCOH* → CH*, in which both the HCOO* → HCOOH* and HCO* → HCOH* steps have substantial barriers. The bimetallic surface suppresses CH 4 formation and is more selective to C 2 H 4 due to the higher hydrogenation barrier of CH 2 * species relative to those for C–C coupling and CH–CH* conversion to C 2 H 4 . On monometallic Fe(100) surface, CH* formation goes through a path of CO 2 * → CO* → HCO* → HCOH* → CH*, different from that identified on Cu–Fe(100). The hydrogenation of HCO* to HCOH* is the rate-limiting step that controls CO 2 conversion to CH 4 and C 2 H 4 . CH 4 formation is kinetically more favored, with a 0.3 eV lower energy barrier, than C 2 H 4 formation. The bimetallic combination of Cu and Fe enhances CO 2 conversion by reducing the kinetic barriers, and alters the selectivity preference to more valuable C 2 H 4 from CH 4 on monometallic Fe surface. C 2 H 6 can be produced from further hydrogenation of C 2 H 4 with moderate barriers.

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