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Boosting Low-Temperature CO2 Methanation Activity on Ru/Anatase-TiO2 Via Mn Doping: Revealing the Crucial Role of CO2 Dissociation

甲烷化 锐钛矿 离解(化学) 催化作用 材料科学 无机化学 漫反射红外傅里叶变换 过渡金属 化学 光化学 物理化学 光催化 有机化学
作者
Shaorong Deng,Zijian Qian,Chen Zhu,Baochang Cheng,Xiaowei Wang,Xiuzhong Fang,Xianglan Xu,Xiang Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (21): 16508-16521 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03801
摘要

A series of Ru/Ti1–xMnxO2 catalysts with varying Mn/(Ti + Mn) molar ratios (x = 0.10–0.25) were synthesized to investigate the CO2 methanation mechanism on anatase TiO2-supported Ru catalysts (Ru/a-TiO2) and develop high-performance catalysts at low temperatures. Among these catalysts, the Ru/Ti0.8Mn0.2O2 exhibited the highest activity, achieving approximately 65% CO2 conversion at 230 °C, which is markedly superior to the unmodified Ru/a-TiO2 catalyst yielding only about 15% CO2 conversion. The majority of Mn cations were incorporated into the lattice of a-TiO2 as Mn3+ cations, forming a solid solution structure in the Ti0.8Mn0.2O2 support. This modification resulted in a higher specific surface area, improved reducibility, and increased oxygen vacancy compared with pure a-TiO2. Consequently, Ru dispersion and electronic metal–support interactions were enhanced in Ru/Ti0.8Mn0.2O2 compared to those in Ru/a-TiO2. In-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy combined with temperature-programmed surface reaction experiments revealed that CO2 methanation predominantly proceeded via the CO* route on the Ru/a-TiO2. The CO2 adsorption in the presence of decomposed H2 led to dissociation to linear CO*, followed by CO methanation where CO2 dissociation to CO* was identified as the rate-determining step (RDS). Mn cation doping induced the formation of oxygen vacancies, significantly enhancing CO2 dissociation on Ru/Ti0.8Mn0.2O2, thereby shifting the RDS to CO methanation. This mechanism explains the superior activity of Ru/Ti0.8Mn0.2O2 at low temperatures for CO2 methanation compared to the Ru/a-TiO2.
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