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Bimetallic Cu/Rh Catalyst for Preferential Oxidation of CO in H2: a DFT Study
The Journal of Physical Chemistry C ( IF 3.3 ) Pub Date : 2021-09-01 , DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04645 Chuwei Zhu 1 , Xiang-Kui Gu 2 , Wei-Xue Li 1
The Journal of Physical Chemistry C ( IF 3.3 ) Pub Date : 2021-09-01 , DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04645 Chuwei Zhu 1 , Xiang-Kui Gu 2 , Wei-Xue Li 1
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Preferential oxidation of CO in excess H2 (PROX) has been extensively explored for selective removal of CO with minimum H2 consumption to prevent CO poisoning of the Pt-based anode in a proton-exchange-membrane fuel cell (PEMFC). Unmodified platinum group metal catalysts are widely used for this reaction, yet they still show unsatisfying activity for CO oxidation at low temperatures, because their stronger adsorption of CO would poison the active site. Cu-based catalysts are alternatives, but they suffer from structural instability. Therefore, designing a more efficient catalyst for PROX is highly required. In this work, a bimetallic Cu/Rh catalyst is designed that facilitates significantly weakening the CO poisoning effect due to its comparable adsorption strengths of O2 and CO. As compared to the dissociative mechanism, CO oxidation via the OCOO-mediated associative mechanism on this catalyst is found to be more favorable, and the barriers of the steps in the catalytic cycle are modest, suggesting a high low-temperature activity for CO oxidation. Moreover, it is found that a Cu/Rh catalyst exhibits lower selectivity for H2 oxidation than that for CO oxidation. Additionally, the systematic studies of the surface segregation of Cu/Rh induced by the adsorption of species in PROX show that a Cu/Rh catalyst exhibits a good structural stability under the typical PROX conditions. These results demonstrate that the designed bimetallic Cu/Rh catalyst is promising for the PROX reaction at low temperatures.
中文翻译：
用于在 H2 中优先氧化 CO 的双金属 Cu/Rh 催化剂：DFT 研究
已经广泛探索了在过量 H 2 (PROX) 中优先氧化 CO，以选择性去除 CO，同时消耗最少的 H 2以防止质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中 Pt 基阳极的 CO 中毒。未改性的铂族金属催化剂广泛用于该反应，但它们在低温下对 CO 氧化仍表现出不令人满意的活性，因为它们对 CO 的更强吸附会毒化活性位点。铜基催化剂是替代品，但它们存在结构不稳定的问题。因此，非常需要为 PROX 设计更有效的催化剂。在这项工作中，设计了一种双金属 Cu/Rh 催化剂，由于其对 O 2 的吸附强度相当，因此有助于显着削弱 CO 中毒效应和 CO。与解离机制相比，通过 OCOO 介导的缔合机制对该催化剂的 CO 氧化更为有利，并且催化循环中的步骤障碍适中，这表明该催化剂具有较高的低温活性一氧化碳氧化。此外，发现Cu/Rh 催化剂对H 2氧化的选择性低于对CO 氧化的选择性。此外，对 PROX 中物种吸附引起的 Cu/Rh 表面偏析的系统研究表明，Cu/Rh 催化剂在典型的 PROX 条件下表现出良好的结构稳定性。这些结果表明，所设计的双金属 Cu/Rh 催化剂有望用于低温下的 PROX 反应。
更新日期：2021-09-16
中文翻译：
用于在 H2 中优先氧化 CO 的双金属 Cu/Rh 催化剂：DFT 研究
已经广泛探索了在过量 H 2 (PROX) 中优先氧化 CO，以选择性去除 CO，同时消耗最少的 H 2以防止质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中 Pt 基阳极的 CO 中毒。未改性的铂族金属催化剂广泛用于该反应，但它们在低温下对 CO 氧化仍表现出不令人满意的活性，因为它们对 CO 的更强吸附会毒化活性位点。铜基催化剂是替代品，但它们存在结构不稳定的问题。因此，非常需要为 PROX 设计更有效的催化剂。在这项工作中，设计了一种双金属 Cu/Rh 催化剂，由于其对 O 2 的吸附强度相当，因此有助于显着削弱 CO 中毒效应和 CO。与解离机制相比，通过 OCOO 介导的缔合机制对该催化剂的 CO 氧化更为有利，并且催化循环中的步骤障碍适中，这表明该催化剂具有较高的低温活性一氧化碳氧化。此外，发现Cu/Rh 催化剂对H 2氧化的选择性低于对CO 氧化的选择性。此外，对 PROX 中物种吸附引起的 Cu/Rh 表面偏析的系统研究表明，Cu/Rh 催化剂在典型的 PROX 条件下表现出良好的结构稳定性。这些结果表明，所设计的双金属 Cu/Rh 催化剂有望用于低温下的 PROX 反应。
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