Multiscale Investigation of the Mechanism and Selectivity of CO2 Hydrogenation over Rh(111)

选择性 催化作用 化学 机制(生物学) 化学工程 材料科学 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Shijia Sun,Michael Higham,Xingfan Zhang,C. Richard A. Catlow
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (8): 5503-5519
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c05939
摘要

CO2 hydrogenation over Rh catalysts comprises multiple reaction pathways, presenting a wide range of possible intermediates and end products, with selectivity toward either CO or methane being of particular interest. We investigate in detail the reaction mechanism of CO2 hydrogenation to the single-carbon (C1) products on the Rh(111) facet by performing periodic density functional theory (DFT) calculations and kinetic Monte Carlo (kMC) simulations, which account for the adsorbate interactions through a cluster expansion approach. We observe that Rh readily facilitates the dissociation of hydrogen, thus contributing to the subsequent hydrogenation processes. The reverse water–gas shift (RWGS) reaction occurs via three different reaction pathways, with CO hydrogenation to the COH intermediate being a key step for CO2 methanation. The effects of temperature, pressure, and the composition ratio of the gas reactant feed are considered. Temperature plays a pivotal role in determining the surface coverage and adsorbate composition, with competitive adsorption between CO and H species influencing the product distribution. The observed adlayer configurations indicate that the adsorbed CO species are separated by adsorbed H atoms, with a high ratio of H to CO coverage on the Rh(111) surface being essential to promote CO2 methanation.
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