Dry Reforming of Methane Over Ru2/CeO2: Dynamic Behavior of Lattice Oxygen

甲烷 氧气 材料科学 格子(音乐) 化学工程 化学 物理 工程类 有机化学 声学
作者
Pengfei Qu,Dong Fu,Gui‐Chang Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:129 (3): 1642-1652 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c06174
摘要

The reverse oxygen spillover (ROS) process is a critical factor in the dry reforming of methane (DRM). However, the detailed mechanism remains unclear. In this study, we investigate the ROS process in Ru/CeO2(111) (where n = 1, 2, 3, 4) using ab initio molecular dynamics simulations at realistic DRM reaction temperatures (1000 K). Our findings indicate that the ROS phenomenon is observed exclusively in the Ru2/CeO2 system, while it is absent in the Ru1, Ru3, and Ru4/CeO2 systems. Furthermore, additional investigations involving other transition metal (TM) systems, specifically TM2/CeO2 (where TM = Co, Ni, Pd, and Pt), reveal that ROS can also occur in the Co2/CeO2(111) system. The phenomenon of ROS is primarily attributed to two factors. First, an electronic structure analysis suggests that the strong metal–support interaction and strong "oxophilic" properties of certain transition metals, such as Ru and Co, are significant contributors to the ROS. Second, from a geometric perspective, the coordination between Ru2 and the surface oxygen atoms of CeO2(111) is asymmetric, with two Ru atoms coordinating to three surface oxygen atoms. This configuration provides for the possibility that one of the surface oxygen atoms spillover into the Ru2 cluster. Notably, the coordination environment of the Ru clusters plays a more critical role than electronic properties in determining the occurrence of ROS. Through detailed calculations of the DRM reaction mechanism, we demonstrate that the oxygen vacancy created by the spillover process can facilitate CO2 activation, while the lattice oxygen that spills from the interface can lower the energy barrier associated with the oxidation process. We anticipate that our findings will provide theoretical insights for the design of high-performance catalysts for DRM, emphasizing the importance of considering metal–support interactions at the metal–support interface.
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