Recent onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science China Chemistry onderzoekt actieve koperstructuren in ZnO-Cu grensvlakkatalyse. Er werden veel experimenten uitgevoerd, waaronder de voorbereiding van de katalysator, structurele karakteriseringen, evaluatie van de katalytische prestaties en DFT-berekeningen.

Met behulp van verschillende Cu-nanokristallen (NC's) met goed gedefinieerde Cu-facetten en overeenkomstige ZnO/Cu NC's inverse katalysatoren, werd het Cu{110}-facet aangetoond als het meest actieve facet voor ZnO-Cu-grensvlakkatalyse in CO₂ hydrogenering tot methanol met een schijnbare activeringsenergie van slechts 25,3 ± 2,6 kJ/mol, terwijl het Cu-facet het meest actieve facet is voor zowel de ZnO-Cu-grensvlakkatalyse als de Cu-katalyse in de RWGS-reactie.

Hoewel het ZnO-Cu-grensvlak actiever is in het katalyseren van de RWGS-reactie dan het Cu-oppervlak, vindt de RWGS-reactie intussen voornamelijk plaats op het kale Cu-oppervlak van ZnO/Cu inverse katalysatoren in plaats van op het ZnO-Cu-grensvlak, onder de CO₂ hydrogenering tot methanolreactieomstandigheden.

De studie werd geleid door prof. Weixin Huang (sleutellaboratorium voor precisie en intelligente chemie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China), prof. Wenhua Zhang (sleutellaboratorium voor precisie en intelligente chemie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China), en Dr. Zongfang Wu (Hefei Nationaal Onderzoekscentrum voor Fysische Wetenschappen op Microschaal, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China).

"Uniforme katalytische nanokristallen met goed gedefinieerde structuren hebben een groot potentieel aangetoond voor fundamentele studies van heterogene katalyse onder werkomstandigheden. Op Cu-ZnO gebaseerde katalysatoren zijn uitgebreid bestudeerd voor het katalyseren van CO₂ hydrogenering tot methanol met toegevoegde waarde, waarbij de methanolselectiviteit echter wordt beperkt door de bijbehorende RWGS-reactie", zegt Huang.

"Met behulp van op Cu-monokristallen gebaseerde modelkatalysatoren worden de katalytische prestaties van Cu- en ZnO/Cu-katalysatoren in zowel CO₂ Er werd aangetoond dat de hydrogenering tot methanol en RWGS-reacties gevoelig afhankelijk zijn van de Cu-kristalvlakken, maar de gemeten CO-vormingssnelheden waren twee tot drie ordes van grootte hoger dan de overeenkomstige CH₃ De OH-vormingssnelheden zijn in tegenstelling tot de katalytische prestaties van poederkatalysatoren op basis van Cu-ZnO."

"Om de controverse tussen de poederkatalysatoren en monokristallijne modelkatalysatoren aan te pakken, hebben we een gecombineerd experimenteel en theoretisch rekenonderzoek uitgevoerd naar Cu NC's met goed gedefinieerde Cu-facetten en overeenkomstige ZnO/Cu NC's inverse katalysatoren onder typische omstandigheden van CO ₂ hydrogenering tot methanol en RWGS-reacties."

De verkregen resultaten op het actieve Cu-facet voor ZnO-Cu-grensvlakkatalyse voor CO₂ Hydrogenering tot methanol en RWGS-reacties verdiepen niet alleen het fundamentele begrip van de structuurgevoeligheid van ZnO-Cu-grensvlakkatalyse, maar suggereren ook de {110} facettechniek van Cu-nanodeeltjes met geminimaliseerde blootgestelde kale Cu-oppervlakken in op Cu-ZnO gebaseerde katalysatoren als een veelbelovende strategie om een zeer actieve en selectieve katalysator voor CO₂ fabriceren hydrogenering tot methanol bij lage temperaturen.

Kinetisch gezien is de methanolsynthesereactie op het ZnO-Cu-grensvlak met een zeer lage E_a van ongeveer 25,3 kJ/mol verloopt gemakkelijk bij lage temperaturen, terwijl de RWGS-reactie met een hoog barrière-oppervlak thermodynamisch niet verloopt; een lage reactietemperatuur begunstigt de exotherme methanolsynthesereactie, maar niet de endotherme RWGS-reactie.

Meer informatie: Wei Xiong et al., Actieve koperstructuren in ZnO-Cu-grensvlakkatalyse:CO2-hydrogenering tot methanol en omgekeerde water-gas-shiftreacties, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7

Aangeboden door Science China Press