Uncovering the Crucial Role of Oxygen Vacancy in Altering Activity and Selectivity of CO2 Hydrogenation on ZnGa2O4 Spinel Surfaces

选择性 尖晶石 空位缺陷 催化作用 材料科学 氧气 无机化学 结晶学 化学 冶金 有机化学
作者
Mengjia Xi,Xi‐Yang Yu,Xue Su,Lei Xiong,Xiaogang Ning,Peng Gao,Zheng‐Qing Huang,Chun-Ran Chang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 4185-4197 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c00660
摘要

While oxygen vacancies (VOs) on metal oxides are widely reported to play important roles in CO2 hydrogenation to methanol or other hydrocarbons by cooperating with zeolites, the underlying mechanisms are still far from well understood. Herein, we present a theoretical study to explore the formation mechanism and catalytic roles of VO in the hydrogenation of CO2 to methanol on ZnGa2O4(100). Our calculations manifest that surface oxygen vacancy generated by producing water can enhance activating both H2 and CO2, owing to the emergence of frustrated Lewis pair sites or coordinative unsaturated Zn cation in the sublayer. Moreover, the adsorbed hydride can be stabilized by the coordinative unsaturated Zn cation. Then, oxygen vacancies, together with the hydride, can alter the CO2 adsorption structures to benefit the formation of *HCOO instead of *COOH, thereby turning the production selectivity from carbon monoxide to methanol. Interestingly, microkinetic modeling reflects that VO monomer is more active in the methanol production rate (0.37 s–1) than VO dimer (6.64 × 10–3 s–1) at 643 K, suggesting keeping a high proportion of VO monomers on the surface is important. Hence, our study provides important insights into the role of oxygen vacancies in altering the catalytic performance of CO2 hydrogenation on spinel oxide surfaces.
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