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Rhodium Single‐Atom Catalysts on Titania for Reverse Water Gas Shift Reaction Explored by First Principles Mechanistic Analysis and Compared to Nanoclusters

纳米团簇 催化作用 离解(化学) 选择性 密度泛函理论 水煤气变换反应 锐钛矿 化学 光化学 氧气 物理化学 空位缺陷 无机化学 结晶学 计算化学 有机化学 光催化
作者
FRANCIS DOHERTY,Bryan R. Goldsmith
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
卷期号:13 (13): 3155-3164 被引量:29
标识
DOI:10.1002/cctc.202100292
摘要

Abstract The thermocatalytic reduction of CO 2 by H 2 often proceeds via two competing reaction mechanisms – the reverse water gas shift reaction (rWGSR, CO 2 +H 2 ⇌CO+H 2 O) and methanation (CO 2 +4H 2 ⇌CH 4 +2H 2 O). Atomically dispersed Rh 1 catalysts on TiO 2 show high selectivity toward the rWGSR compared with larger Rh nanoclusters, but the origin of this size‐dependent selectivity has not been fully explained. Here we report density functional theory (DFT) calculations and microkinetic simulations that clarify the Rh 1 active sites and rWGSR pathway on anatase TiO 2 (101), as well as the high rWGSR selectivity of Rh 1 compared with supported Rh x ( x =2–8 atoms) nanoclusters. DFT‐computed formation energies, vibrational frequency analysis, and microkinetic modeling suggest three plausible active sites: Rh 1 on titania (Rh 1 /TiO 2 (101)), Rh 1 with a nearby hydroxyl group (Rh 1 OH/TiO 2 (101)), and Rh 1 near an oxygen vacancy at a three‐fold coordinated site (Rh 1 near O 3c vac). Predicted turnover frequencies and apparent activation barriers for Rh 1 indicate a faster reaction involving CO 2 dissociation assisted by a support oxygen vacancy via Rh 1 near O 3c vac, as well as slower reactions involving Rh 1 OH/TiO 2 (101) or Rh 1 /TiO 2 (101) through a COOH intermediate. These Rh 1 sites are selective toward CO rather than CH 4 because of the weak adsorption of CO, large barrier for C−O bond dissociation, and the lack of nearby metal sites for H 2 dissociation, in contrast to Rh x nanoclusters, including Rh 2 dimers.
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