Critical Step in the HCl Oxidation Reaction over Single-Crystalline CeO2–x(111): Peroxo-Induced Site Change of Strongly Adsorbed Surface Chlorine

化学 催化作用 放热反应 密度泛函理论 吸附 吸热过程 氧烷 物理化学 单排替反应 反应性(心理学) 无机化学 计算化学 光谱学 有机化学 物理 量子力学 医学 替代医学 病理
作者
Volkmar Koller,Pablo G. Lustemberg,Alexander Spriewald-Luciano,Sabrina M. Gericke,Alfred Larsson,Christian Sack,Alexei B. Preobrajenski,Edvin Lundgren,M. V. Ganduglia-Pirovano,Herbert Over
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (19): 12994-13007 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03222
摘要

The catalytic oxidation of HCl by molecular oxygen (Deacon process) over ceria allows the recovery of molecular chlorine from the omnipresent HCl waste produced in various industrial processes. In previous density functional theory (DFT) model-calculations by Amrute et al. [ J. Catal. 2012, 286, 287−297.], it was proposed that the most critical reaction step in this process is the displacement of tightly bound chlorine at a vacant oxygen position on the CeO2(111) surface (Clvac) toward a less strongly bound cerium on-top (Cltop) position. This step is highly endothermic by more than 2 eV. On the basis of a dedicated model study, namely the reoxidation of a chlorinated single-crystalline Clvac-CeO2–x(111)-(3 × 3)R30° surface structure, we provide in situ synchrotron-based spectroscopic data (high resolution core level spectroscopy (HRCLS) and X-ray adsorption near edge structure (XANES)) for this oxygen-induced dechlorination process. Combined with theoretical evidence from DFT calculations, the Clvac → Cltop displacement reaction is predicted to be induced by an adsorbed peroxo species (O22–), making the displacement step concerted and exothermic by 0.6 eV with an activation barrier of only 1.04 eV. The peroxo species is shown to be important for the reoxidation of Clvac-CeO2–x(111) and is considered essential for understanding the function of ceria in oxidation catalysis.
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