Effect of oxygen vacancies on the plasma-catalytic performance of CeO2 for CO2 hydrogenation

氧气 化学 材料科学 催化作用 一氧化碳 无机化学 二氧化碳 碳纤维 产量(工程) 化学工程
作者
Joran Van Turnhout,Wouter Van Hoey,Shangkun Li,Robin De Meyer,M. Hove,Thomas Salens,Johan Verbeeck,Sara Bals,B. Partoens,Emiel J.M. Hensen,Pegie Cool,Annemie Bogaerts
出处
期刊:Journal of CO2 utilization [Elsevier BV]
卷期号:106: 103393-103393
标识
DOI:10.1016/j.jcou.2026.103393
摘要

While plasma catalysis is a promising approach for sustainable chemical transformations, the fundamental mechanisms governing plasma–catalyst interactions remain elusive. In particular, the role of surface defects, such as oxygen vacancies (OVs) in metal oxide catalysts, on plasma-catalytic CO2 hydrogenation is a subject of ongoing debate. To address this, we synthesized CeO₂ with varying surface OV concentrations through four pretreatment methods: (i) air calcination, (ii) Ar annealing, (iii) air calcination followed by in-situ reduction in H2/Ar plasma, and (iv) air calcination followed by thermal H2 reduction. These catalysts were evaluated in a temperature-controlled packed bed dielectric barrier discharge (DBD) reactor to isolate the impact of surface defects on plasma-catalytic CO2 hydrogenation. Samples with higher OV concentrations exhibited lower CO2 conversion, despite the conventional view that OVs promote CO₂ activation via a (reverse) Mars van Krevelen mechanism. We attribute this inhibition to a significant reduction in the number and intensity of microdischarges. This shift is likely due to a decreased work function of CeO2 following OV formation, which alters the plasma characteristics. In this regime, the modification of the alter the dominant gas phase chemistry appears to overshadow the expected surface catalytic effects. The introduction of Cu nanoparticles on CeO2 further decreases CO2 conversion, a result that correlates directly with a drop in the number and intensity of microdischarges. These findings highlight the critical role of discharge-catalyst interactions in plasma catalysis, which is impacted by the OV concentration on CeO2.
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