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Computational Study of CO2 Methanation on Ru/CeO2 Model Surfaces: On the Impact of Ru Doping in CeO2
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-11-09 , DOI: 10.1021/acscatal.3c03742
Lulu Chen 1 , Ivo A. W. Filot 1 , Emiel J. M. Hensen 1
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-11-09 , DOI: 10.1021/acscatal.3c03742
Lulu Chen 1 , Ivo A. W. Filot 1 , Emiel J. M. Hensen 1
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The Sabatier reaction (CO2 + H2 → CH4 + H2O) can contribute to renewable energy storage by converting green H2 with waste CO2 into CH4. Highly dispersed Ru on CeO2 represents an active catalyst for the CO2 methanation. Here, we investigated the support effect by considering a single atom of Ru and a small Ru cluster on CeO2 (Ru6/CeO2). The influence of doping CeO2 with Ru was investigated as well (Ru6/RuCex–1O2x–1). Density functional theory was used to compute the reaction energy diagrams. A single Ru atom on CeO2 can only break one of the C–O bonds in adsorbed CO2, making it only active in the reverse water–gas shift reaction. In contrast, Ru6 clusters on stoichiometric and Ru-doped CeO2 are active methanation catalysts. CO is the main reaction intermediate formed via a COOH surface intermediate. Compared to an extended Ru(11–21) surface containing step-edge sites where direct C–O bond dissociation is facile, C–O dissociation proceeds via H-assisted pathways (CO → HCO → CH) on Ru6/CeO2 and Ru6/RuCex–1O2x–1. A higher CO2 methanation rate is predicted for Ru6/RuCex–1O2x–1. Electronic structure analysis clarifies that the lower activation energy for HCO dissociation on Ru6/RuCex–1O2x–1 is caused by stronger electron–electron repulsion due to its closer proximity to Ru. Strong H2 adsorption on small Ru clusters explains the higher CO2 methanation activity of Ru clusters on CeO2 compared to a Ru step-edge surface, representative of Ru nanoparticles, where the H coverage is low due to stronger competition with adsorbed CO.
中文翻译:
Ru/CeO2 模型表面 CO2 甲烷化的计算研究:CeO2 中 Ru 掺杂的影响
Sabatier反应(CO 2 + H 2 → CH 4 + H 2 O)可以通过将绿色H 2与废弃CO 2转化为CH 4来促进可再生能源存储。CeO 2上高度分散的Ru代表了CO 2甲烷化的活性催化剂。在这里,我们通过考虑 Ru 的单个原子和 CeO 2上的小 Ru 簇(Ru 6 /CeO 2)来研究支撑效应。还研究了用 Ru掺杂 CeO 2的影响(Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1 )。密度泛函理论用于计算反应能量图。CeO 2上的单个Ru原子只能破坏吸附CO 2中的一个C-O键,使其仅在逆水煤气变换反应中活跃。相反,化学计量和Ru掺杂的CeO 2上的Ru 6簇是活性甲烷化催化剂。CO是通过COOH表面中间体形成的主要反应中间体。与包含易于直接 C-O 键解离的阶梯边缘位点的扩展 Ru(11-21) 表面相比,Ru 6 /CeO 2上的 C-O 解离通过 H 辅助途径 (CO → HCO → CH) 进行,并且Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1。Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1预计具有更高的CO 2甲烷化率。电子结构分析表明,Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1上 HCO 解离的较低活化能是由于其更接近 Ru 导致的更强的电子-电子排斥力造成的。小Ru簇上的强H 2吸附解释了与Ru阶梯边缘表面(代表Ru纳米颗粒)相比, CeO 2上的Ru簇具有更高的CO 2甲烷化活性,其中由于与吸附的CO更强的竞争,H覆盖率较低。
更新日期:2023-11-09
中文翻译:

Ru/CeO2 模型表面 CO2 甲烷化的计算研究:CeO2 中 Ru 掺杂的影响
Sabatier反应(CO 2 + H 2 → CH 4 + H 2 O)可以通过将绿色H 2与废弃CO 2转化为CH 4来促进可再生能源存储。CeO 2上高度分散的Ru代表了CO 2甲烷化的活性催化剂。在这里,我们通过考虑 Ru 的单个原子和 CeO 2上的小 Ru 簇(Ru 6 /CeO 2)来研究支撑效应。还研究了用 Ru掺杂 CeO 2的影响(Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1 )。密度泛函理论用于计算反应能量图。CeO 2上的单个Ru原子只能破坏吸附CO 2中的一个C-O键,使其仅在逆水煤气变换反应中活跃。相反,化学计量和Ru掺杂的CeO 2上的Ru 6簇是活性甲烷化催化剂。CO是通过COOH表面中间体形成的主要反应中间体。与包含易于直接 C-O 键解离的阶梯边缘位点的扩展 Ru(11-21) 表面相比,Ru 6 /CeO 2上的 C-O 解离通过 H 辅助途径 (CO → HCO → CH) 进行,并且Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1。Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1预计具有更高的CO 2甲烷化率。电子结构分析表明,Ru 6 /RuCe x –1 O 2 x –1上 HCO 解离的较低活化能是由于其更接近 Ru 导致的更强的电子-电子排斥力造成的。小Ru簇上的强H 2吸附解释了与Ru阶梯边缘表面(代表Ru纳米颗粒)相比, CeO 2上的Ru簇具有更高的CO 2甲烷化活性,其中由于与吸附的CO更强的竞争,H覆盖率较低。