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楊帆/李微雪JACS:環境條件下ZnO上H2離解和COx加氫的原子尺度可視化

在原子尺度上研究氧化物表面的催化氫化反應一直具有挑戰性,因為這些過程通常發生在環境或高壓下,使得它們比原子尺度的技術更難實現。
基于此,上海科技大學楊帆副教授和中國科學技術大學李微雪教授等人報道了使用環境壓力掃描隧道顯微鏡(AP-STM),環境壓力X射線光電子能譜和密度泛函理論(DFT)計算對ZnO上H2解離和CO/CO2加氫的原子尺度研究。300 K時CO或CO2在ZnO表面的存在不會阻礙H2解離的表面位點的可用性,而CO甚至可以增強共吸附氫化物的穩定性,從而促進它們的解離吸附。
楊帆/李微雪JACS:環境條件下ZnO上H2離解和COx加氫的原子尺度可視化
通過密度泛函理論(DFT)計算表明,CO2與氫化物在表面Zn3c位點上鍵合,可很容易地形成甲酸態。CO2與氫化物的結合能壘低至0.30 eV,反應能為0.09 eV。
形成的甲酸鹽物種通過Zn-O鍵以單鏈構型(HCOOm*)結合在Zn3c位點上,再通過兩個Zn-O鍵(HCOOb*)翻轉與兩個Zn3c位點形成雙牙齒配位,從而發生結構弛緩,放熱強度為-1.35 eV,勢壘為0.21 eV。結果表明,CO2和H2在熱力學和動力學上都有利于甲酸鹽的生成。
楊帆/李微雪JACS:環境條件下ZnO上H2離解和COx加氫的原子尺度可視化
DFT計算結果表明,首先CO與氫化物結合形成HCO*,吸熱0.06 eV,能壘0.61 eV,然后形成的HCO*與表面晶格O進一步反應形成三齒構型(HCOOL*),能壘為1.06 eV,反應能為-0.39 eV。HCO*的勢壘較低,更傾向于反向解離成CO和氫化物,因此CO很難直接氫化生成甲酸鹽。
CO在ZnO(1010)上加氫為以下兩步機制:CO首先在ZnO(1010)的?0001?步驟被氧化成CO2;生成的CO2在ZnO(1010)平臺上擴散,與氫化物反應生成甲酸鹽。
楊帆/李微雪JACS:環境條件下ZnO上H2離解和COx加氫的原子尺度可視化
Atomic-Scale Visualization of Heterolytic H2 Dissociation and COx Hydrogenation on ZnO under Ambient Conditions. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c08085.

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