Effektive indiumoxidkatalysatorer designet til CO2-hydrogenering til methanol

Katalytisk hydrogenering af kuldioxid (CO ₂ ) er et grønt og bæredygtigt middel til at syntetisere råvarekemikalier såsom methanol. Denne konverteringsproces er nøglen til at realisere 'metanoløkonomien' eller skabe 'flydende solskin, ' begge aspekter af den cirkulære økonomi. Nylige undersøgelser afslørede potentialet for en familie af metaloxider til at katalysere denne reaktion. Imidlertid, yderligere optimering af deres katalytiske ydeevne til industrielle applikationer var fortsat en stor udfordring, hovedsagelig på grund af vanskelighederne i forbindelse med det rationelle design og kontrollerede syntese af disse katalysatorer.

Motiveret af sådan en udfordring, et hold i fællesskab ledet af profs. Sun Yuhan, Gao Peng, og Li Shenggang ved Shanghai Advanced Research Institute (SARI) ved det kinesiske videnskabsakademi, rapporterede et vellykket tilfælde af teoristyret rationelt design af indiumoxid (In ₂ O ₃ ) katalysatorer for CO ₂ hydrogenering til methanol med høj aktivitet og selektivitet. De nye resultater blev offentliggjort i det seneste nummer af Videnskabens fremskridt den 17. juni.

At designe rationelt In ₂ O ₃ -baserede nanokatalysatorer med gunstig methanolsynteseydelse, forskere udførte omfattende density functional theory (DFT) beregninger for at etablere den katalytiske mekanisme af In ₂ O ₃ katalysator under CO ₂ hydrogenering til methanol og kuldioxid ved at identificere foretrukne veje. Beregningsmodelleringen identificerede den sjældent undersøgte facet af sekskantet In ₂ O ₃ som den mest gunstige for methanolsyntese.

På grundlag af denne teoretiske forudsigelse, flere eksperimentelle metoder blev derefter brugt til at syntetisere In ₂ O ₃ katalysatorer i forskellige faser med forskellige morfologier.

Interessant nok, en af ​​de fire In ₂ O ₃ katalysatorer syntetiseret på denne måde blev bekræftet til hovedsagelig at blotlægge de teoretisk identificerede {104} facetter. Denne katalysator udviste også den bedste ydeevne med hensyn til både aktivitet og selektivitet, bekræfter DFT-forudsigelsen. Methanolsyntesereaktionen katalyseret af denne katalysator er gunstig selv ved den meget høje temperatur på 360 °C.

Rum-tid-udbyttet af methanol nåede 10,9 mmol/g/time ved denne temperatur, som overgik alle tidligere kendte katalysatorer for denne reaktion, herunder tidligere rapporteret In ₂ O ₃ -baserede katalysatorer og velkendte Cu-baserede katalysatorer.

Inden ₂ O ₃ katalysator opdaget i denne forskning er lovende som en måde at direkte omdanne CO ₂ til methanol til industrielle anvendelser. Ud over, opdagelsen af ​​denne In ₂ O ₃ katalysator vil fremme den videre udvikling af oxid/zeolit ​​bifunktionelle katalysatorer til direkte CO ₂ hydrogenering til forskellige C ₂₊ kulbrinter (lavere olefiner, benzin, aromater og så videre) via methanol-mellemproduktet. Lige så vigtigt, denne opdagelse fremhæver også beregningsvidenskabens centrale rolle i at hjælpe med at designe industrielt relevante katalysatorer.