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Insights into Interfacial Synergistic Catalysis over Ni@TiO2–x Catalyst toward Water–Gas Shift Reaction

催化作用 化学 水煤气变换反应 离解(化学) 金属 空位缺陷 化学工程 扩展X射线吸收精细结构 反应机理 氧化还原 密度泛函理论 多相催化 无机化学 物理化学 结晶学 吸收光谱法 计算化学 有机化学 物理 工程类 量子力学
作者
Ming Xu,Siyu Yao,Deming Rao,Yiming Niu,Ning Liu,Mi Peng,Peng Zhai,Yi Man,Lirong Zheng,Bin Wang,Bingsen Zhang,Ding Ma,Min Wei
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (36): 11241-11251 被引量:307
标识
DOI:10.1021/jacs.8b03117
摘要

The mechanism on interfacial synergistic catalysis for supported metal catalysts has long been explored and investigated in several important heterogeneous catalytic processes (e.g., water-gas shift (WGS) reaction). The modulation of metal-support interactions imposes a substantial influence on activity and selectivity of catalytic reaction, as a result of the geometric/electronic structure of interfacial sites. Although great efforts have validated the key role of interfacial sites in WGS over metal catalysts supported on reducible oxides, direct evidence at the atomic level is lacking and the mechanism of interfacial synergistic catalysis is still ambiguous. Herein, Ni nanoparticles supported on TiO2- x (denoted as Ni@TiO2- x) were fabricated via a structure topotactic transformation of NiTi-layered double hydroxide (NiTi-LDHs) precursor, which showed excellent catalytic performance for WGS reaction. In situ microscopy was carried out to reveal the partially encapsulated structure of Ni@TiO2- x catalyst. A combination study including in situ and operando EXAFS, in situ DRIFTS spectra combined with TPSR measurements substantiates a new redox mechanism based on interfacial synergistic catalysis. Notably, interfacial Ni species (electron-enriched Niδ- site) participates in the dissociation of H2O molecule to generate H2, accompanied by the oxidation of Niδ--O v-Ti3+ (O v: oxygen vacancy) to Niδ+-O-Ti4+ structure. Density functional theory calculations further verify that the interfacial sites of Ni@TiO2- x catalyst serve as the optimal active site with the lowest activation energy barrier (∼0.35 eV) for water dissociation. This work provides a fundamental understanding on interfacial synergistic catalysis toward WGS reaction, which is constructive for the rational design and fabrication of high activity heterogeneous catalysts.
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