Calculations of NO reduction with CO over a Cu1/PMA single-atom catalyst: a study of surface oxygen species, active sites, and the reaction mechanism

文献情報

出版日 2019-04-16
DOI 10.1039/C9CP01092K
インパクトファクター 3.676
著者

Cong Sun, Meng-Xu Jiang, Li-Long Zhang, Mo-Jie Sun


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要旨

Density functional theory (DFT) calculations have been employed to probe the reaction mechanism of NO reduction with CO over a Cu1/PMA (PMA is the phosphomolybdate, Cs3PMo12O40) single-atom catalyst (SAC). Several important aspects of the catalytic system were addressed, including the generation of oxygen vacancies (Ov), formation of N2O2 intermediates, scission of the N–O bond of N2O2 intermediates to form N2O or N2, and decomposition of N2O to form N2. Unlike most previous theoretical studies, which tend to explore the reaction mechanism of polyoxometalate (POM) systems based on the isolated anionic unit, here, we build a model of the catalytic system with neutral species by introduction of counter cations to model the solid structure of the Cu1/PMA SAC. The major findings of our present study are: (1) CO adsorption on Cu sites leads to the formation of cationic Cu carbonyl species; (2) the Oc atom at the surface of the PMA support can easily react with the adsorbed CO to generate a Cu–Ov pair; (3) the Cu–Ov pair embedded on PMA is found to be the active site, not only for the formation of N2O2* by the reaction of two NO molecules via an Eley–Rideal pathway but also for the decomposition of N2O to form N2; (4) the adsorption of a NO molecule on the Cu–Ov pair with a bridging model results in charge transfer from the Cu atom to the π* antibonding orbital of the NO molecule; (5) IR spectroscopy of the key intermediates has been identified based on our DFT calculations; and (6) the Cu atom serves as an electron acceptor in Ov formation steps and an electron donor in N2O2 decomposition steps, and thus represents an electron reservoir. These results suggest that the POM-supported SAC with the cheaper Cu element is an efficient catalyst for the reaction between CO and NO.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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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