Ny forskning publicerad i tidskriften Science China Chemistry utforskar aktiva kopparstrukturer i ZnO-Cu gränssnittskatalys. Många experiment, inklusive katalysatorberedning, strukturella karakteriseringar, utvärdering av katalytisk prestanda och DFT-beräkningar, utfördes.
Genom att använda olika Cu nanokristaller (NC) med väldefinierade Cu-fasetter och motsvarande ZnO/Cu NC-omvända katalysatorer, visades Cu{110}-facetten vara den mest aktiva aspekten för ZnO-Cu-gränssnittskatalys i CO2 hydrering till metanol med skenbar aktiveringsenergi så låg som 25,3±2,6 kJ/mol, medan Cu{100}-facetten är den mest aktiva aspekten för både ZnO-Cu-gränsytskatalys och Cu-katalys i RWGS-reaktion.
Samtidigt, även om ZnO-Cu-gränssnittet är mer aktivt för att katalysera RWGS-reaktion än Cu-ytan, sker RWGS-reaktionen huvudsakligen på den kala Cu-ytan av ZnO/Cu-inversa katalysatorer istället för vid ZnO-Cu-gränssnittet, under CO2 hydrering till metanol reaktionsbetingelser.
Studien leddes av 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), och Dr. Zongfang Wu (Hefei National Research Center for Physical Sciences vid Microscale, University of Science and Technology of China).
"Enhetliga katalytiska nanokristaller med väldefinierade strukturer har visat stor potential för grundläggande studier av heterogen katalys under arbetsförhållanden. Cu-ZnO-baserade katalysatorer har studerats omfattande för att katalysera CO2 hydrering till förädlad metanol, där metanolselektiviteten dock begränsas av den åtföljande RWGS-reaktionen, säger Huang.
"Med Cu-enkristallbaserade modellkatalysatorer, katalytisk prestanda för Cu- och ZnO/Cu-katalysatorer i både CO2 hydrering till metanol och RWGS-reaktioner visades vara känsligt beroende av Cu-kristallplanen, men de uppmätta CO-bildningshastigheterna var två till tre storleksordningar högre än motsvarande CH3 OH-bildningshastigheter, i motsats till den katalytiska prestandan hos Cu-ZnO-baserade pulverkatalysatorer."
"För att ta itu med kontroversen mellan pulverkatalysatorerna och enkristallmodellkatalysatorer har vi genomfört en kombinerad experimentell och teoretisk beräkningsstudie av Cu NCs med väldefinierade Cu-fasetter och motsvarande ZnO/Cu NCs inversa katalysatorer under typiska förhållanden för CO2 hydrering till metanol- och RWGS-reaktioner."
De förvärvade resultaten på den aktiva Cu-facetten för ZnO-Cu-gränsytskatalys för CO2 hydrering till metanol- och RWGS-reaktioner fördjupar inte bara den grundläggande förståelsen av strukturkänsligheten för ZnO-Cu-gränsytskatalys utan föreslår också {110} facettkonstruktionen av Cu-nanopartiklar med minimerade exponerade kala Cu-ytor i Cu-ZnO-baserade katalysatorer som en lovande strategi för att tillverka en mycket aktiv och selektiv katalysator för CO2 hydrering till metanol vid låga temperaturer.
Kinetiskt är metanolsyntesreaktionen vid ZnO-Cu{110}-gränssnittet med ett mycket lågt Ea på cirka 25,3 kJ/mol fortskrider lätt vid låga temperaturer medan RWGS-reaktionen med en hög barriäryta inte termodynamiskt, en låg reaktionstemperatur gynnar den exotermiska metanolsyntesreaktionen men inte den endotermiska RWGS-reaktionen.
Mer information: Wei Xiong et al, Aktiva kopparstrukturer i ZnO–Cu-gränsytskatalys:CO2-hydrering till metanol och omvända vatten–gasskiftningsreaktioner, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7
Tillhandahålls av Science China Press
