Platinum Group Metal Catalyst (RuOx, PtOx, and IrOx)-Decorated Ceria-Zirconia Solid Solution as High Active Oxygen Carriers for Solar Thermochemical CO2 Splitting

催化作用 固溶体 立方氧化锆 铈 氧化物 锆 氧气储存 无机化学 化学 材料科学 化学工程 冶金 陶瓷 生物化学 工程类
作者
Zhenpan Chen,Qingqing Jiang,Hongyu An,Juan Zhang,Shuoqi Hao,Xinju Li,Lili Cai,Wenguang Yu,Kuiyi You,Xuefeng Zhu,Can Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (13): 7719-7736 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c02044
摘要

Ceria substituted with zirconium (Ce1–xZrxO2) is a promising material in two-step thermochemical CO2/H2O splitting cycles due to its great oxygen storage capacity and potential fuel production. However, the Ce1–xZrxO2 solid solution exhibits a relatively slower fuel release rate than cerium oxide alone. Herein, in order to improve the solar-to-fuel energy conversion efficiency, noble metal catalysts (RuOx, PtOx, and IrOx) are used to boost the CO release rate of Ce0.85Zr0.15O2 (CZ15)-based two-step thermochemical CO2 splitting. Compared with intrinsic Ce0.85Zr0.15O2, the maximal CO release rate can be increased by 35% after loading 0.4 atom % IrOx as a catalyst on the surface of Ce0.85Zr0.15O2. Interestingly, the initial CO release rate can be increased by three times when a small amount of IrOx (1.0 atom %) is doped into the crystal structure of Ce0.85Zr0.15O2 through a solution combustion method. This catalytic effect is ascribed to the increased mixed ionic and electric conductivity within the ceramic bulk and the enhanced chemical reaction rate at the gas–solid interface for iridium-decorated ceria-zirconia solid solution. Our work demonstrates that interface engineering and bulk modification through adding the selected catalyst can effectively enhance the CO2 splitting rate of Ce1–xZrxO2 oxygen carriers, which provides a promising strategy to promote the fuel release rates of other kinetics-restricted thermochemical CO2/H2O splitting cycles.
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