Converting CO2 into valuable chemicals has become a widely used research method for CO2 conversion. In this work, the catalytic performance of pyramidal-4Ni catalysts supported on rare earth metal-doped CeO2 toward CO2 reduction reaction (CO2RR) was investigated by using density-functional theory calculations. For rare earth metal-doped CeO2, 2Ce is substituted by 2 trivalent cations and at the same time one oxygen vacancy is created to make charge compensation. We investigated the oxygen vacancy nearest (VO,N) and next-nearest (VO,NN) to 4Ni, and found releasing CO and CO2 dissociation are the rate-determining steps, respectively, via the path of VO,N and VO,NN. Among the studied dopants (Ga, Sb, Lu, Gd, Pr, La, Bi), Gd is identified as the best dopant for catalyzing the reduction of CO2 at 823 K, with the turn-over frequency (TOF) of 104 times as large as that over 4Ni supported on pure CeO2. This exploration pro-vides theoretical support and guidance for the research and application of rare earth metaldoped CeO2-loaded Ni catalysts in the field of CO2 reduction.
REFERENCES
[1]
J.
Cai
, D. Y.
Li
, L.
Jiang
, J. Y.
Yuan
, Z. Q.
Li
, and K. Z.
Li
, Energy Fuels
37
, 4878
(2023
).[2]
L.
Yuan
, M. Y.
Qi
, Z. R.
Tang
, and Y. J.
Xu
, Angew. Chem. Int.
Ed. 60
, 21150
(2021
).[3]
A.
Sharma
, A.
Hosseini-Bandegharaei
, N.
Kumar
, S.
Kumar
, and K.
Kumari
, J. CO2 Util.
65
, 102205
(2022
).[4]
Z. X.
Bi
, R. T.
Guo
, X.
Hu
, J.
Wang
, X.
Chen
, and W. G.
Pan
, Nanoscale
14
, 3367
(2022
).[5]
Y.
Chen
, L. N.
Zhong
, A. L.
Chen
, M.
Fu
, and X. W.
Lu
, Ceram. Int.
49
, 16932
(2023
).[6]
Y. M.
Zhou
, Q. X.
Zhang
, X. L.
Shi
, Q.
Song
, C. J.
Zhou
, and D. L.
Jiang
, J. Colloid Interface Sci.
608
, 2809
(2022
).[7]
Y.
Zheng
, J. C.
Wang
, B.
Yu
, W. Q.
Zhang
, J.
Chen
, J. L.
Qiao
, and J. J.
Zhang
, Chem. Soc. Rev.
46
, 1427
(2017
).[8]
S.
Patial
, R.
Kumar
, P.
Raizada
, P.
Singh
, Q.
Van Le
, E.
Lichtfouse
, D.
Le Tri Nguyen
, and V. H.
Nguyen
, Environ. Res.
197
, 111134
(2021
).[9]
W. X.
Peng
, T. H. Chuong
Nguyen
, D. L. T.
Nguyen
, T.
Wang
, T. Van Thi
Tran
, T. H.
Le
, H. K.
Le
, A. N.
Grace
, P.
Singh
, P.
Raizadaa
, M. T. Nguyen
Dinh
, C. C.
Nguyen
, S. Y.
Kim
, and Q. V.
Le
, Renew. Sustain. Energy Rev.
148
, 111298
(2021
).[10]
T. T.
Wu
, T.
Yegge
, and H. Anton
Hansen
, J. Catal.
420
, 1
(2023
).[11]
S. D.
Ebbesen
and M.
Mogensen
, J. Power Sources
193
, 349
(2009
).[12]
J. T. S.
Irvine
, D.
Neagu
, M. C.
Verbraeken
, C.
Chatzichristodoulou
, C.
Graves
, and M. B.
Mogensen
, Nat. Energy
1
, 15014
(2016
).[13]
Z. A.
Feng
, F.
El Gabaly
, X. F.
Ye
, Z. X.
Shen
, and W. C.
Chueh
, Nat. Commun.
5
, 4374
(2014
).[14]
T. L.
Skafte
, Z. X.
Guan
, M. L.
Machala
, C. B.
Gopal
, M.
Monti
, L.
Martinez
, E.
Stamate
, S.
Sanna
, J. A. Garrido
Torres
, E. J.
Crumlin
, M.
García-Melchor
, M.
Bajdich
, W. C.
Chueh
, and C.
Graves
, Nat. Energy
4
, 846
(2019
).[15]
J.
Carrasco
, L.
Barrio
, P.
Liu
, J. A.
Rodriguez
, and M. V.
Ganduglia-Pirovano
, J. Phys. Chem. C
117
, 8241
(2013
).[16]
B. H.
Ren
, J. D.
Li
, G. B.
Wen
, L.
Ricardez–Sandoval
, and E.
Croiset
, J. Phys. Chem. C
122
, 21151
(2018
).[17]
B. H.
Ren
, G. B.
Wen
, L.
Ricardez–Sandoval
, and E.
Croiset
, J. Power Sources
490
, 229488
(2021
).[18]
Z. D.
Huang
, Z.
Zhao
, H. Y.
Qi
, X. L.
Wang
, B. F.
Tu
, and M. J.
Cheng
, J. Energy Chem.
40
, 46
(2020
).[19]
Z.
Cheng
, B. J.
Sherman
, and C. S.
Lo
, J. Chem. Phys.
138
, 014702
(2013
).[20]
X. B.
Huang
, K. Y.
Zhang
, B. X.
Peng
, G.
Wang
, M.
Muhler
, and F.
Wang
, ACS Catal.
11
, 9618
(2021
).[21]
T.
Montini
, M.
Melchionna
, M.
Monai
, and P.
Fornasiero
, Chem. Rev.
116
, 5987
(2016
).[22]
A.
Vazhayil
, L.
Vazhayal
, J.
Thomas
, S.
Ashok
C, and N.
Thomas
, Appl. Surf. Sci. Adv.
6
, 100184
(2021
).[23]
F.
Lin
, K.
Rappé
, L.
Kovarik
, M.
Song
, X. S.
Li
, M.
Engelhard
, and Y.
Wang
, Catal. Sci. Technol.
12
, 2462
(2022
).[24]
B. B.
Wang
, H.
Zhang
, W.
Xu
, X. B.
Li
, W.
Wang
, L. J.
Zhang
, Y. M.
Li
, Z.
Peng
, F.
Yang
, and Z.
Liu
, ACS Catal.
10
, 12385
(2020
).[25]
X. I.
Pereira-Hernández
, A.
DeLaRiva
, V.
Muravev
, D.
Kunwar
, H. F.
Xiong
, B.
Sudduth
, M.
Engelhard
, L.
Kovarik
, E. J. M.
Hensen
, Y.
Wang
, and A. K.
Datye
, Nat. Commun.
10
, 1358
(2019
).[26]
Z. H.
Jin
, Y. J.
Shen
, X. W.
Da
, X. F.
Chen
, M. H.
Qiu
, and Y. Q.
Fan
, J. Membr. Sci.
637
, 119608
(2021
).[27]
W. T.
Guo
, Z.
Wang
, Z. W.
Zhao
, Z. Q.
An
, and W. F.
Wang
, J. Non-Cryst. Solids
540
, 120085
(2020
).[28]
R. G.
Kukushkin
and P. M.
Yeletsky
, Catalysts
13
, 968
(2023
).[29]
H.
Wang
, Z. Y.
Li
, G. Q.
Cui
, and M.
Wei
, ACS Appl. Mater. Interfaces
15
, 19021
(2023
).[30]
Z. T.
Zhang
, C. Y.
Shen
, K. H.
Sun
, X. Y.
Jia
, J. Y.
Ye
, and C. J.
Liu
, J. Mater. Chem. A
10
, 5792
(2022
).[31]
H. L.
Huynh
, J.
Zhu
, G. H.
Zhang
, Y. L.
Shen
, W. M.
Tucho
, Y.
Ding
, and Z. X.
Yu
, J. Catal.
392
, 266
(2020
).[32]
S.
Praserthdam
, S.
Somdee
, M.
Rittiruam
, and P. B.
Balbuena
, Energy Fuels
34
, 4855
(2020
).[33]
L.
Zhang
, X.
Wen
, T. T.
Kong
, L.
Zhang
, L.
Gao
, L. T.
Miao
, and Y. H.
Li
, Sci. Rep.
9
, 9818
(2019
).[34]
N. D. Mohd
Ridzuan
, M. S.
Shaharun
, M.A.
Anawar
, and I.
Ud-Din
, Catalysts
12
, 469
(2022
).[35]
M. J. D.
Rushton
and A.
Chroneos
, Sci. Rep.
4
, 6068
(2014
).[36]
A. K.
Lucid
, P. R. L.
Keating
, J. P.
Allen
, and G. W.
Watson
, J. Phys. Chem. C
120
, 23430
(2016
).[37]
S.
Grieshammer
, B. O. H.
Grope
, J.
Koettgen
, and M.
Martin
, Phys. Chem. Chem. Phys.
16
, 9974
(2014
).[38]
D. A.
Andersson
, S. I.
Simak
, N. V.
Skorodumova
, I. A.
Abrikosov
, and B.
Johansson
, Phys. Rev. B
76
, 174119
(2007
).[39]
S.
Swathi
, R.
Yuvakkumar
, P. Senthil
Kumar
, G.
Ravi
, M.
Thambidurai
, C.
Dang
, and D.
Velauthapillai
, Fuel
310
, 122319
(2022
).[40]
S. L.
Rodríguez
, A.
Davó-Quiñonero
, J.
Juan-Juan
, E.
Bailón-García
, D.
Lozano-Castelló
, and A.
Bueno-López
, J. Phys. Chem. C
125
, 12038
(2021
).[41]
Y. B.
Deng
, S. J.
Liu
, L.
Fu
, Y.
Yuan
, A. M.
Zhao
, D. J.
Wang
, H.
Zheng
, L. K.
Ouyang
, and S. J.
Yuan
, J. Catal.
417
, 60
(2023
).[42]
A. I.
Tsiotsias
, N. D.
Charisiou
, A.
AlKhoori
, S.
Gaber
, V.
Stolojan
, V.
Sebastian
, B.
van der Linden
, A.
Bansode
, S. J.
Hinder
, M. A.
Baker
, K.
Polychronopoulou
, and M. A.
Goula
, J. Energy Chem.
71
, 547
(2022
).[43]
A.
Shahzadi
, S.
Moeen
, A. D.
Khan
, A.
Haider
, J.
Haider
, A.
Ul-Hamid
, W.
Nabgan
, I.
Shahzadi
, M.
Ikram
, and A.
Al-Shanini
, ACS Omega
8
, 8605
(2023
).[44]
B.
Xu
, H.
Yang
, Q. T.
Zhang
, S. S.
Yuan
, A.
Xie
, M.
Zhang
, and T.
Ohno
, ChemCatChem
12
, 2638
(2020
).[45]
T. T.
Wu
, T.
Yegge
, and H. A.
Hansen
, J. Catal.
402
, 310
(2021
).[46]
T. T.
Wu
, Q. M.
Deng
, H. A.
Hansen
, and T.
Yegge
, J. Phys. Chem. C
123
, 5507
(2019
).[47]
J. V.
Kildgaard
, H. A.
Hansen
, and T.
Yegge
, Mater. Today Adv.
8
, 100111
(2020
).[48]
Q. M.
Yu
, Z. Y.
Zhang
, H. M.
Liu
, X.
Kang
, S. Y.
Ge
, S. H.
Li
, L.
Gan
, and B. L.
Liu
, Fundam. Res.
3
, 804
(2023
).[49]
M.
Wang
, L.
Lin
, Z. Y.
Zheng
, Z. Y.
Jiao
, W.
Hua
, G. W.
Wang
, X. X.
Ke
, Y. B.
Lian
, F. L.
Lyu
, J.
Zhong
, Z.
Deng
, and Y.
Peng
, Energy Environ. Sci.
16
, 4423
(2023
).[50]
J. L.
Wang
, H. Y.
Tan
, Y. P.
Zhu
, H.
Chu
, and H. M.
Chen
, Angew. Chem. Int.
Ed. 60
, 17254
(2021
).[51]
S.
Das
, J.
Ashok
, Z.
Bian
, N.
Dewangan
, M. H.
Wai
, Y.
Du
, A.
Borgna
, K.
Hidajat
, and S.
Kawi
, Appl. Catal. B: Environ.
230
, 220
(2018
).[52]
S.
Gisbertz
, S.
Reischauer
, and B.
Pieber
, Nat. Catal.
3
, 611
(2020
).[53]
A.
Parastaev
, V.
Muravev
, E. Huertas
Osta
, A. J. F.
van Hoof
, T. F.
Kimpel
, N.
Kosinov
, and E. J. M.
Hensen
, Nat. Catal.
3
, 526
(2020
).[54]
Z. X.
Yang
, T. K.
Woo
, M.
Baudin
, and K.
Hermansson
, J. Chem. Phys.
120
, 7741
(2004
).[55]
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
).[56]
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).[57]
G.
Kresse
and D.
Joubert
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
).[58]
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
).[59]
M.
Capdevila-Cortada
, M.
García-Melchor
, and N.
López
, J. Catal.
327
, 58
(2015
).[60]
S.
Fabris
, S.
de Gironcoli
, S.
Baroni
, G.
Vicario
, and G.
Balducci
, Phys. Rev. B
72
, 237102
(2005
).[61]
K.
Michel
, T. S.
Bjørheim
, T.
Norby
, J.
Janek
, and M. T.
Elm
, J. Phys. Chem. C
124
, 15831
(2020
).[62]
H. J.
Monkhorst
and J. D.
Pack
, Phys. Rev. B
13
, 5188
(1976
).[63]
S.
Kozuch
and S.
Shaik
, Acc. Chem. Res.
44
, 101
(2011
).[64]
S.
Kozuch
, WIREs Comput. Mol. Sci.
2
, 795
(2012
).[65]
D. J.
Evans
and B. L.
Holian
, J. Chem. Phys.
83
, 4069
(1985
).[66]
G.
Henkelman
, B. P.
Uberuaga
, and H.
Jónsson
, J. Chem. Phys.
113
, 9901
(2000
).
This content is only available via PDF.
© 2024 Chinese Physical Society.
2024
Chinese Physical Society
