Structural Dynamics and Energy Landscape of the Forward and Reverse Water–Gas Shift Catalytic Cycle on Ceria
Notice bibliographique
Résumé
The water–gas shift catalytic cycle (CO + H2O ⇄ CO2 + H2), in both the forward (WGS) and reverse (RWGS) directions, is a classical reaction central to fuel and chemical synthesis that interconverts reductant-and-oxidant pairs (red + ox → ox′ + red′), i.e., in WGS, CO (red) to CO2 (ox′) and H2O (ox) to H2 (red′), and in RWGS, H2 (red) to H2O (ox′) and CO2 (ox) to CO (red′). Within this cycle, the energy landscape and kinetic relevance of the steps have not yet been fully established and reconciled, especially on oxide surfaces, simply due to their structural complexities and changing oxygen contents. Here, we establish the mechanistic framework and associated barriers for each step of the cycle, in both directions, on modeled ceria (CeO2) through kinetic interrogations under induction, steady-state, and transient regimes, each providing distinct thermodynamic and kinetic insights into the barriers of individual steps and intraparticle O-atom diffusion between surface and bulk, as the oxygen content in CeO2–x varies (x = 0–0.2) and redistributes. In RWGS, surface O atom abstraction by H2 is the sole kinetically relevant step on partially reduced CeO2–x oxides (x = 0.024–0.038) with a barrier of 180 ± 3 kJ mol–1, determined from steady-state kinetics, whereas surface reoxidation by CO2 at O-vacancies is rapid with an apparent activation energy of 51 ± 1 kJ mol–1 that decreases with increasing O-vacancy formation energy, revealed by transient kinetic studies that decouple this step from the preceding kinetic bottleneck. In WGS, the reverse reaction, both surface O atom abstraction by CO (92 ± 21 kJ mol–1) and surface reoxidation by H2O (89 ± 6 kJ mol–1) are kinetically relevant, derived from steady-state rate measurements. Integrating findings from both reactions, we delineate a unified mechanistic paradigm underpinned by an experimentally determined, thermodynamically consistent energy landscape wherein the observed kinetic constraints for RWGS and WGS depend solely on the direction through which this landscape is traversed. These insights elucidate surface reactions, structural dynamics, and O atom transport underlying water–gas shift reactions on ceria under working conditions, providing a robust foundation for understanding how variations in chemical potential drive changes in oxygen content to enable efficient CO and CO2 conversions.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».