Effect of MnO2 Polymorphs’ Structure on Low-Temperature Catalytic Oxidation: Crystalline Controlled Oxygen Vacancy Formation

密度泛函理论 材料科学 氧化还原 催化作用 空位缺陷 氧气 动能 晶体结构 动力学 物理化学 活化能 单晶 化学稳定性 结晶学 计算化学 化学 有机化学 物理 冶金 量子力学
作者
Fei-Xiang Tian,Hu Li,Minghui Zhu,Weifeng Tu,Dehai Lin,Yi‐Fan Han
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 18525-18538 被引量:92
标识
DOI:10.1021/acsami.2c01727
摘要

MnO 2 polymorphs (α-, β-, and ε-MnO 2 ) were synthesized, and their chemical/physical properties for CO oxidation were systematically studied using multiple techniques. Density functional theory (DFT) calculations and temperature-programmed experiments reveal that β-MnO 2 shows low energies for oxygen vacancy generation and excellent redox properties, exhibiting significant CO oxidation activity ( T 90 = 75 °C) and stability even under a humid atmosphere. For the first time, we report that the specific reaction rate for β-MnO 2 (0.135 molecule CO ·nm –2 ·s –1 at 90 °C) is roughly approximately 4 and 17 times higher than that of ε-MnO 2 and α-MnO 2, respectively. The specific reaction rate order (β-MnO 2 > ε-MnO 2 > α-MnO 2 ) is not only in good agreement with reduction rates (CO-TPSR measurements) but also agrees with the DFT calculation. In combination with in situ spectra and intrinsic kinetic studies, the mechanisms of CO oxidation over various crystal structures of MnO 2 were proposed as well. We believe the new insights from this study will largely inspire the design of such a kind of catalyst.
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