Aktive kobberstrukturer i ZnO-Cu grænsefladekatalyse:CO₂-hydrogenering til methanol

Nylig forskning offentliggjort i tidsskriftet Science China Chemistry udforsker aktive kobberstrukturer i ZnO-Cu grænsefladekatalyse. Mange eksperimenter, herunder katalysatorfremstilling, strukturelle karakteriseringer, evaluering af katalytisk ydeevne og DFT-beregninger, blev udført.

Ved at bruge forskellige Cu nanokrystaller (NC'er) med veldefinerede Cu-facetter og tilsvarende ZnO/Cu NC'er omvendte katalysatorer blev Cu{110}-facetten demonstreret som den mest aktive facet for ZnO-Cu-grænsefladekatalyse i CO₂ hydrogenering til methanol med tilsyneladende aktiveringsenergi så lav som 25,3±2,6 kJ/mol, mens Cu{100}-facetten er den mest aktive facet for både ZnO-Cu-grænsefladekatalyse og Cu-katalyse i RWGS-reaktion.

I mellemtiden, selvom ZnO-Cu-grænsefladen er mere aktiv til at katalysere RWGS-reaktion end Cu-overfladen, forekommer RWGS-reaktionen hovedsageligt på den nøgne Cu-overflade af ZnO/Cu-inverse katalysatorer i stedet for ved ZnO-Cu-grænsefladen under CO₂ hydrogenering til methanol reaktionsbetingelser.

Undersøgelsen blev ledet af Prof. Weixin Huang (Key Laboratory of Precision and Intelligent Chemistry, University of Science and Technology of China), Prof. Wenhua Zhang (Key Laboratory of Precision and Intelligent Chemistry, University of Science and Technology of China), og Dr. Zongfang Wu (Hefei Nationale Forskningscenter for Fysiske Videnskaber ved Microscale, University of Science and Technology i Kina).

"Ensartede katalytiske nanokrystaller med veldefinerede strukturer har vist et stort potentiale for grundlæggende undersøgelser af heterogen katalyse under arbejdsforhold. Cu-ZnO-baserede katalysatorer er blevet grundigt undersøgt til at katalysere CO₂ hydrogenering til værditilvækst methanol, hvor methanolselektiviteten dog er begrænset af den medfølgende RWGS-reaktion," siger Huang.

"Ved brug af Cu-enkeltkrystal-baserede modelkatalysatorer, katalytisk ydeevne af Cu- og ZnO/Cu-katalysatorer i både CO₂ hydrogenering til methanol og RWGS-reaktioner blev vist at være følsomt afhængig af Cu-krystalplanerne, men de målte CO-dannelseshastigheder var to til tre størrelsesordener højere end den tilsvarende CH₃ OH-dannelseshastigheder i modsætning til den katalytiske ydeevne af Cu-ZnO-baserede pulverkatalysatorer."

"For at løse kontroversen mellem pulverkatalysatorerne og enkeltkrystalmodelkatalysatorer har vi udført en kombineret eksperimentel og teoretisk beregningsundersøgelse af Cu NC'er med veldefinerede Cu-facetter og tilsvarende ZnO/Cu NC'er omvendte katalysatorer under typiske forhold for CO₂ hydrogenering til methanol og RWGS-reaktioner."

De opnåede resultater på den aktive Cu-facet for ZnO-Cu-grænsefladekatalyse for CO₂ hydrogenering til methanol- og RWGS-reaktioner uddyber ikke kun den grundlæggende forståelse af strukturfølsomhed af ZnO-Cu-grænsefladekatalyse, men foreslår også {110} facetkonstruktionen af ​​Cu-nanopartikler med minimeret blottede blottede Cu-overflader i Cu-ZnO-baserede katalysatorer som en lovende strategi til fremstille en yderst aktiv og selektiv katalysator for CO₂ hydrogenering til methanol ved lave temperaturer.

Kinetisk set methanolsyntesereaktionen ved ZnO-Cu{110}-grænsefladen med en meget lav E_a 25,3 kJ/mol forløber let ved lave temperaturer, mens RWGS-reaktionen med en høj barriereoverflade ikke termodynamisk, begunstiger en lav reaktionstemperatur den eksoterme methanolsyntesereaktion, men ikke den endoterme RWGS-reaktion.

Flere oplysninger: Wei Xiong et al., Aktive kobberstrukturer i ZnO-Cu-grænsefladekatalyse:CO2-hydrogenering til methanol og omvendt vand-gas-skiftreaktioner, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7

Leveret af Science China Press