Role of Oxidation–Reduction Dynamics in the Application of Cu/ZnO-Based Catalysts

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作者
Robert Gleißner,Simon Chung,Guilherme Dalla Lana Semione,Leon Jacobse,Michael Wagstaffe,Steffen Tober,Ariane Neumann,Gökhan Gizer,Christopher M. Goodwin,Markus Soldemo,Mikhail Shipilin,Patrick Lömker,Christoph Schlueter,Olof Gutowski,Matthias Muntwiler,Peter Amann,Heshmat Noei,Vedran Vonk,Andreas Stierle
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 8004-8016 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c01306
摘要

We investigated Cu nanoparticles (NPs) on vicinal and basal ZnO supports to obtain an atomistic picture of the catalyst's structure under in situ oxidizing and reducing conditions. The Cu/ZnO model catalysts were investigated at elevated gas pressures by high energy grazing incidence X-ray diffraction and ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (AP-XPS). We find that the Cu nanoparticles are fully oxidized to Cu2O under atmospheric conditions at room temperature. As the nanoparticles swell during oxidation, they maintain their epitaxy on basal ZnO (000 ± 1) surfaces, whereas on the vicinal ZnO (101̅4) surface, the nanoparticles undergo a coherent tilt. We find that the oxidation process is fully reversible under H2 flow at 500 K, resulting in predominantly well-aligned nanoparticles on the basal surfaces, whereas the orientation of Cu NPs on vicinal ZnO was only partially restored. The analysis of the substrate crystal truncation rods evidences the stability of basal ZnO surfaces under all gas conditions. No Cu–Zn bulk alloy formation is observed. Under CO2 flow, no diffraction signal from the nanoparticles is detected, pointing to their completely disordered state. The AP-XPS results are in line with the formation of CuO. Scanning electron microscopy images show that massive mass transport has set in, leading to the formation of larger agglomerates.
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