Methane Activation and Oxygen Vacancy Formation over CeO2 and Zr, Pd Substituted CeO2 Surfaces

催化作用 密度泛函理论 空位缺陷 甲烷 化学 吸附 氧气 化学吸附 放热反应 活化能 光化学 物理化学 无机化学 计算化学 结晶学 有机化学
作者
Adam D. Mayernick,Michael J. Janik
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:112 (38): 14955-14964 被引量:189
标识
DOI:10.1021/jp805134s
摘要

The catalytic properties of CeO2 for hydrocarbon oxidation reactions have implications for a variety of applications. Surface reduction and methane activation are key processes in the overall oxidation reaction, and are examined herein for pure CeO2 (111), (110) and (100) surfaces and surfaces with Zr or Pd substituted in Ce lattice positions. Density functional theory, with the inclusion of an on-site Coulombic interaction (DFT+U), was used to calculate the energetics of oxygen vacancy formation and methane activation. Oxygen vacancy formation is more exothermic for Zr and Pd substituted ceria surfaces than for pure ceria, with Pd-substituted surfaces being significantly more reducible. Methane adsorbs dissociatively as *H and *CH3, and the thermodynamics of dissociative methane adsorption correlate with those of oxygen vacancy formation over the pure and substituted surfaces. The lowest energy pathway for dissociative adsorption on the (111) surface proceeds through H abstraction and the formation of a methyl radical, and subsequent chemisorption of the radical species. Sensitivity of the reported results to the choice of U value within the DFT+U method is discussed.
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