Theoretical Insights into H2 Activation over Anatase TiO2 Supported Metal Adatoms

异构化 化学 催化作用 均分解 吸附 锐钛矿 金属 过渡金属 活化能 结晶学 离解(化学) 光化学 键裂 物理化学 无机化学 光催化 激进的 有机化学 生物化学
作者
Qiang Li,George Yan,Dionisios G. Vlachos
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (2): 886-896 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c04201
摘要

H2 activation is fundamental in catalysis. Single-atom catalysts (SACs) can be highly selective hydrogenation catalysts due to their tunable geometric and electronic properties. In this work, H2 activation (adsorption, splitting, and diffusion) on the anatase TiO2-supported SAC has been modeled in detail. The stable configurations of 14 transition metals from 3d to 5d (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Os, Ir, Pt, and Au) and Sn have been screened. We compared H and H2 adsorption and H2 heterolytic and homolytic splitting on SA/TiO2. H on the SAC in neutral, hydridic, and proton forms and the preferred H2 dissociation paths are revealed. We found that the metal adatoms strengthen the Brønsted acids via forming the SA-O bonds and promote the H adsorption on Ti sites via forming the Ti3+ sites. The electronic descriptor using the energy level of the frontier d orbital, referenced to vacuum, can predict the single H and H2 dissociative adsorption energies on the metal site. As the SA-Hδ- interaction is stronger than Ti-Hδ-, the activation barriers for heterolytic paths over SA-O sites are lower than over Ti-O sites. H2 adsorption is activated on Au, Ru, Rh, Pd, and Ir in a dihydrogen complex structure with an elongated H-H bond. Homolytic splitting over SA sites is favored thermodynamically and kinetically on Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. In contrast, for the remaining SA/TiO2, H-H splitting at the SA-O is kinetically favored compared to the Ti-O sites, but the products are less thermodynamically favored.
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