Structure and Chemical Reactivity of Y‐Stabilized ZrO2 Surfaces: Importance for the Water‐Gas Shift Reaction

反应性(心理学) 水煤气变换反应 化学 化学工程 有机化学 催化作用 医学 工程类 病理 替代医学
作者
Shuang Chen,Philipp N. Pleßow,Zairan Yu,Eric Sauter,Lachlan Caulfield,Alexei Nefedov,Felix Studt,Yuemin Wang,Christof Wöll
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (27) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/anie.202404775
摘要

Abstract The surface structure and chemical properties of Y‐stabilized zirconia (YSZ) have been subjects of intense debate over the past three decades. However, a thorough understanding of chemical processes occurring at YSZ powders faces significant challenges due to the absence of reliable reference data acquired for well‐controlled model systems. Here, we present results from polarization‐resolved infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) obtained for differently oriented, Y‐doped ZrO 2 single‐crystal surfaces after exposure to CO and D 2 O. The IRRAS data reveal that the polar YSZ(100) surface undergoes reconstruction, characterized by an unusual, red‐shifted CO band at 2132 cm −1 . Density functional theory calculations allowed to relate this unexpected observation to under‐coordinated Zr 4+ cations in the vicinity of doping‐induced O vacancies. This reconstruction leads to a strongly increased chemical reactivity and water spontaneously dissociates on YSZ(100). The latter, which is an important requirement for catalysing the water‐gas‐shift (WGS) reaction, is absent for YSZ(111), where only associative adsorption was observed. Together with a novel analysis Scheme these reference data allowed for an operando characterisation of YSZ powders using DRIFTS (diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy). These findings facilitate rational design and tuning of YSZ‐based powder materials for catalytic applications, in particular CO oxidation and the WGS reaction.
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