Katalytische hydrogenering van kooldioxide (CO ₂ ) is een groene en duurzame manier om basischemicaliën zoals methanol te synthetiseren. Dit conversieproces is de sleutel tot het realiseren van de 'methanoleconomie' of het creëren van 'vloeibare zonneschijn, ' beide aspecten van de circulaire economie. Recente studies onthulden het potentieel voor een familie van metaaloxiden om deze reactie te katalyseren. Echter, het verder optimaliseren van hun katalytische prestaties voor industriële toepassingen bleef een grote uitdaging, voornamelijk vanwege de moeilijkheden die verband houden met het rationele ontwerp en de gecontroleerde synthese van deze katalysatoren.

Gemotiveerd door zo'n uitdaging, een team onder leiding van profs. Zon Yuhan, Gao Peng, en Li Shenggang aan het Shanghai Advanced Research Institute (SARI) van de Chinese Academie van Wetenschappen, rapporteerde een succesvol geval van theoriegestuurd rationeel ontwerp van indiumoxide (In ₂ O ₃ ) katalysatoren voor CO ₂ hydrogenering tot methanol met hoge activiteit en selectiviteit. De nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van wetenschappelijke vooruitgang op 17 juni.

In rationeel ontwerpen ₂ O ₃ -gebaseerde nanokatalysatoren met gunstige methanolsyntheseprestaties, onderzoekers voerden uitgebreide berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) uit om het katalytische mechanisme van de In . vast te stellen ₂ O ₃ katalysator tijdens CO ₂ hydrogenering tot methanol en kooldioxide door voorkeursroutes te identificeren. De computationele modellering identificeerde het zelden bestudeerde {104} facet van hexagonale In ₂ O ₃ als de meest gunstige voor methanolsynthese.

Op basis van deze theoretische voorspelling verschillende experimentele methoden werden vervolgens gebruikt om In . te synthetiseren ₂ O ₃ katalysatoren in verschillende fasen met verschillende morfologieën.

interessant, een van de vier In ₂ O ₃ Op deze manier gesynthetiseerde katalysatoren bleken voornamelijk de theoretisch geïdentificeerde {104} facetten bloot te leggen. Deze katalysator vertoonde ook de beste prestaties in termen van zowel activiteit als selectiviteit, bevestiging van de DFT-voorspelling. De door deze katalysator gekatalyseerde methanolsynthesereactie is zelfs bij de zeer hoge temperatuur van 360 °C gunstig.

De ruimte-tijdopbrengst van methanol bereikte bij deze temperatuur 10,9 mmol/g/uur, die alle eerder bekende katalysatoren voor deze reactie overtrof, inclusief eerder gerapporteerde In ₂ O ₃ op basis van katalysatoren en bekende op Cu gebaseerde katalysatoren.

Het in ₂ O ₃ in dit onderzoek ontdekte katalysator is veelbelovend als manier om CO . direct om te zetten ₂ in methanol voor industriële toepassingen. In aanvulling, de ontdekking van deze In ₂ O ₃ katalysator zal de verdere ontwikkeling van oxide/zeoliet bifunctionele katalysatoren voor directe CO . bevorderen ₂ hydrogenering tot verschillende C ₂₊ koolwaterstoffen (lagere olefinen, benzine, aromaten enzovoort) via het methanoltussenproduct. Net zo belangrijk, deze ontdekking benadrukt ook de cruciale rol van computationele wetenschap bij het ontwerpen van industrieel relevante katalysatoren.