Lattice Mn Doping Enables Dual-Pathway CO2 Methanation on Ru/Cr2O3

甲烷化 催化作用 兴奋剂 材料科学 格子(音乐) 吸附 合理设计 化学物理 氧气 化学工程 密度泛函理论 化学 无机化学 空间速度 原位 物理化学 内在活性 纳米技术
作者
Meifeng Ma,Rongwang Zhang,Shaorong Deng,Xilai Zhao,Fei Yang,Xiuzhong Fang,Xiang Wang,Xianglan Xu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c04691
摘要

Abstract Rational design of highly active catalysts for low-temperature CO2 methanation remains a critical challenge for efficient CO2 utilization. Herein, we demonstrate that Mn incorporation into the Cr2O3 lattice, rather than surface modification, markedly enhances the catalytic performance of Ru/Cr2O3 catalysts. The optimal Ru/Mn0.10Cr0.90Ox catalyst (2.24 wt % Ru) achieves 91% CO2 conversion at 200 °C with a space velocity of 36,000 mL gcat–1 h–1, substantially exceeding that of the parent Ru/Cr2O3 (4% at 200 °C). Compared with Ru/Cr2O3, Ru/Mn0.10Cr0.90Ox exhibits a 4.1-fold higher turnover frequency at 180 °C, confirming the intrinsic catalytic enhancement conferred by Mn lattice doping. Comprehensive characterization revealed that Mn lattice doping generates Mn-O-Cr bonds, creating distinct Ru/O-Cr-Ov-Mn interfacial sites in contrast to the Ru/O-Cr-Ov-Cr interfaces present in undoped Ru/Cr2O3. In situ DRIFTS and H2-TPSR-MS studies demonstrated that low-temperature CO2 methanation on Ru/Mn0.10Cr0.90Ox proceeds concurrently via both CO* and HCOO* intermediate pathways, whereas only the CO* pathway operates on Ru/Cr2O3. DFT calculations revealed that Mn doping selectively modulates CO2 adsorption at the interface while minimally affecting bridged Ru sites. At the Ru/O-Cr-Ov-Mn interface, oxygen vacancies form and regenerate more readily than at the Ru/O-Cr-Ov-Cr interface during CO2 methanation, enabling an additional HCOO* pathway. This dual-pathway mechanism fundamentally underpins the enhanced low-temperature activity of Ru/Mn0.10Cr0.90Ox and provides a promising design strategy for developing efficient CO2 methanation catalysts.
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