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Engineering Morphology and Ni Substitution of NixCo3–xO4 Spinel Oxides to Promote Catalytic Combustion of Ethane: Elucidating the Influence of Oxygen Defects

催化作用 尖晶石 密度泛函理论 氧化还原 过渡金属 空位缺陷 离解(化学) 化学 物理化学 无机化学 材料科学 结晶学 计算化学 生物化学 冶金
作者
Shida Liu,Haiyan Wang,Shuang Wang,Yiling Dai,Bing Liu,Liu Yi,Feixiong Dang,Kevin J. Smith,Xiaowa Nie,Shuandi Hou,Xinwen Guo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (7): 4683-4699 被引量:115
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00286
摘要

Transition metal oxides are potential alternatives to noble metal catalysts for oxidation reactions. Co-based spinel oxides, in particular, have attracted significant attention. Herein, Ni x Co 3– x O 4 catalysts were synthesized to elucidate the influence of oxygen vacancies on catalyst activities and reaction mechanisms for ethane combustion. A correlation between the activity and the population and properties of O defects was developed, with an increased number of O defects typically resulting in higher activity. Also, the shape-induced facet effect is related to the amount of Ni that is incorporated into the octahedral sites of Co oxide. The substituted Ni atoms altered the redox ability of Ni x Co 3– x O 4 by changing O vacancy formation and C–H bond dissociation. The NiCo 2 O 4 -TM catalyst (6.0 mmol mL –1 h –1 ) exhibits the highest activity for ethane oxidation compared with NiCo 2 O 4 -PC (0.5 mmol mL –1 h –1 ) and NiCo 2 O 4 -OL catalysts (1.3 mmol mL –1 h –1 ) at 330 °C, and its activation energy (E a ) is 70.9 kJ mol –1 . No activity decay is observed after the initial transition stage of the reaction in a long-term stability test up to 500 h on the NiCo 2 O 4 -TM-coated monolith, either with or without water addition. A vacancy-mediated pathway was proposed according to in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) and density functional theory (DFT) calculations over the NiCo 2 O 4 (311) facet. Findings from this study expand our understanding of the facet-dependent catalytic behavior and ultimately enable the rational design of high-performance catalysts.
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