Active Site Dependent Reaction Mechanism over Ru/CeO2 Catalyst toward CO2 Methanation

甲烷化 催化作用 化学 格式化 空位缺陷 光化学 无机化学 离解(化学) 氧气 物理化学 结晶学 有机化学
作者
Fei Wang,Shan He,Hao Chen,Bin Wang,Lirong Zheng,Min Wei,David G. Evans,Xue Duan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (19): 6298-6305 被引量:571
标识
DOI:10.1021/jacs.6b02762
摘要

Oxygen vacancy on the surface of metal oxides is one of the most important defects which acts as the reactive site in a variety of catalytic reactions. In this work, operando spectroscopy methodology was employed to study the CO2 methanation reaction catalyzed by Ru/CeO2 (with oxygen vacancy in CeO2) and Ru/α-Al2O3 (without oxygen vacancy), respectively, so as to give a thorough understanding on active site dependent reaction mechanism. In Ru/CeO2 catalyst, operando XANES, IR, and Raman were used to reveal the generation process of Ce(3+), surface hydroxyl, and oxygen vacancy as well as their structural evolvements under practical reaction conditions. The steady-state isotope transient kinetic analysis (SSITKA)-type in situ DRIFT infrared spectroscopy undoubtedly substantiates that CO2 methanation undergoes formate route over Ru/CeO2 catalyst, and the formate dissociation to methanol catalyzed by oxygen vacancy is the rate-determining step. In contrast, CO2 methanation undergoes CO route over Ru surface in Ru/α-Al2O3 with the absence of oxygen vacancy, demonstrating active site dependent catalytic mechanism toward CO2 methanation. In addition, the catalytic activity evaluation and the oscillating reaction over Ru/CeO2 catalyst further prove that the oxygen vacancy catalyzes the rate-determining step with a much lower activation temperature compared with Ru surface in Ru/α-Al2O3 (125 vs 250 °C).
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