Speciation of adsorbed CO2 on metal oxides by a new 2-dimensional approach: 2D infrared inversion spectroscopy (2D IRIS)

文献情報

出版日 2013-04-17
DOI 10.1039/C3CP51146D
インパクトファクター 3.676
著者

Sergey Sirotin, Philippe Bazin, Françoise Maugé, Arnaud Travert


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要旨

A new methodology based on the inversion of adsorption isotherms obtained using infrared spectroscopy has been developed. It provides a description of coexisting surface species in terms of their individual IR spectra and surface affinities in a new two dimensional, 2D IR spectroscopic technique. When implemented with simultaneous gravimetric analysis, it further provides the quantification of adsorbed species. The adsorption of CO2 on monoclinic ZrO2 was investigated using this technique with temperature and pressure ranges of 353–673 K and 10−4–0.4 bar, respectively. The sets of spectra obtained at constant temperature and variable pressures (spectroscopic isotherms) were inverted assuming they obey a generalized Langmuir isotherm. This procedure yields a 2D map in which the IR spectra of the prominent surface species formed upon CO2 adsorption are resolved in one dimension – hydrogen carbonates, bidentate carbonates and polydentate carbonates – while these species are resolved according to their surface adsorption affinities (logarithm of adsorption equilibrium constants, ln K) on the other dimension. This technique also allows for the unambiguous determination of the thermodynamic stabilities of the various adsorbed species. The inversion of the gravimetric isotherms recorded simultaneously with the infrared spectra leads to a quantitative distribution function of CO2 adsorption sites whose components match those of the 2D infrared map and allows for a straightforward quantification of the corresponding sites, namely (i) weakly basic sites leading to bridged carbonates, hydrogen carbonates and bidentate carbonates (∼0.7 μmol m−2, ΔadsH = −70 to 90 kJ mol−1), (ii) mild basic sites leading to a second type of bidentate carbonates (∼0.8 μmol m−2, ΔadsH = −110 to 120 kJ mol−1) and (iii) strong basic sites leading to polydentate carbonate species (∼0.1 μmol m−2, ΔadsH < −120 kJ mol−1). Finally, the advantages and limitations of the present methodology are discussed. Because this technique is not limited to a particular spectroscopy or physical process, it should find other applications in the field of spectroscopic characterization of surfaces.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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