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Kinetic Insights into H2 Activation on Anatase TiO2(101)-Supported Single-Atom Catalysts

催化作用 锐钛矿 Atom(片上系统) 动能 材料科学 物理化学 纳米技术 化学工程 结晶学 化学 光催化 物理 计算机科学 有机化学 量子力学 工程类 嵌入式系统
作者
Qiang Li,George Yan,Dionisios G. Vlachos
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 10550-10560 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c00874
摘要

Hydrogen (H2) activation is fundamental in catalysis. Single-atom catalysts (SACs) can be highly selective in many reactions invoking H2 activation due to their tunable geometric and electronic properties. In this work, we employ density functional theory (DFT) and microkinetic modeling (MKM) to study H2 activation (adsorption, dissociation, and diffusion) on the dehydroxylated (101) facet of anatase TiO2 (corresponding to a water-free reaction environment) over 14 single-atom transition metals from 3d to 5d (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Os, Ir, Pt, and Au) and Sn. The stability of intermediates from the dissociative adsorption of H2 is first evaluated, and linear scaling relationships are explored for H···H dissociation and diffusion. We find that linear scalings are generally inadequate for H2 activation. MKM simulations show that H2 activation over the SA/TiO2 sites occurs under kinetic control at moderate temperatures (below 400 K). Thermodynamically preferred H–H splitting states are achieved via kinetically favored splitting followed by subsequent diffusion steps. Overall, adsorption is faster for SA sites with weaker SA–H interactions as more empty surface sites are exposed. H–H dissociation takes place by following the path with the lowest barrier but may lead to metastable products, where the most stable surface intermediates are reached via H diffusion, potentially leading to site poisoning. Up to 400 K, the system generally cannot reach steady state within 3 h, leading to diverse hydride (M–H) or OH sites that depend on the SA, the temperature, and exposure time. Temperature-programmed desorption (TPD) simulations reveal that the observed H2 desorption peaks strongly correlate with the exposure temperature and the SA’s chemical nature, further demonstrating the importance of kinetics in H2 activation by SA sites.
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