Aktive Kupferstrukturen in der ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse: CO₂-Hydrierung zu Methanol

Aktuelle Forschung veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft China Chemie erforscht aktive Kupferstrukturen in der ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse. Es wurden viele Experimente durchgeführt, darunter Katalysatorvorbereitung, Strukturcharakterisierung, Bewertung der katalytischen Leistung und DFT-Berechnungen.

Unter Verwendung verschiedener Cu-Nanokristalle (NCs) mit wohldefinierten Cu-Facetten und entsprechenden inversen ZnO/Cu-NCs-Katalysatoren wurde gezeigt, dass die Cu{110}-Facette die aktivste Facette für die ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse bei der CO2-Hydrierung zu Methanol mit scheinbarer Aktivierungsenergie ist so niedrig wie 25,3 ± 2,6 kJ/mol, während die Cu{100}-Facette die aktivste Facette sowohl für die ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse als auch für die Cu-Katalyse in der RWGS-Reaktion ist.

Obwohl die ZnO-Cu-Grenzfläche bei der Katalyse der RWGS-Reaktion aktiver ist als die Cu-Oberfläche, findet die RWGS-Reaktion unter der CO2-Hydrierung hauptsächlich auf der blanken Cu-Oberfläche von ZnO/Cu-Inverskatalysatoren statt an der ZnO-Cu-Grenzfläche statt Methanol-Reaktionsbedingung.

Die Studie wurde von Prof. Weixin Huang (Schlüssellabor für Präzision und intelligente Chemie, Universität für Wissenschaft und Technologie von China), Prof. Wenhua Zhang (Schlüssellabor für Präzision und intelligente Chemie, Universität für Wissenschaft und Technologie von China) geleitet Dr. Zongfang Wu (Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale, University of Science and Technology of China).

„Einheitliche katalytische Nanokristalle mit wohldefinierten Strukturen haben ein großes Potenzial für grundlegende Studien der heterogenen Katalyse unter Arbeitsbedingungen gezeigt. Katalysatoren auf Cu-ZnO-Basis wurden eingehend für die Katalyse der CO2-Hydrierung zu Mehrwertmethanol untersucht, wobei die Methanolselektivität jedoch beeinträchtigt ist.“ „wird durch die begleitende RWGS-Reaktion begrenzt“, sagt Huang.

„Unter Verwendung von Cu-Einkristall-basierten Modellkatalysatoren wurde gezeigt, dass die katalytische Leistung von Cu- und ZnO/Cu-Katalysatoren sowohl bei der CO2-Hydrierung zu Methanol als auch bei RWGS-Reaktionen stark von den Cu-Kristallebenen abhängt, die gemessenen CO-Bildungsraten lagen jedoch bei zwei bis drei.“ Größenordnungen höher als die entsprechenden CH3OH-Bildungsraten, im Gegensatz zur katalytischen Leistung von Pulverkatalysatoren auf Cu-ZnO-Basis.“

„Um die Kontroverse zwischen Pulverkatalysatoren und Einkristall-Modellkatalysatoren anzugehen, haben wir eine kombinierte experimentelle und theoretische Berechnungsstudie von Cu-NCs mit wohldefinierten Cu-Facetten und entsprechenden inversen ZnO/Cu-NC-Katalysatoren unter typischen Bedingungen der CO2-Hydrierung durchgeführt zu Methanol- und RWGS-Reaktionen.“

Die gewonnenen Ergebnisse zur aktiven Cu-Facette für die ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse für die CO2-Hydrierung zu Methanol und RWGS-Reaktionen vertiefen nicht nur das grundlegende Verständnis der Struktursensitivität der ZnO-Cu-Grenzflächenkatalyse, sondern legen auch die {110}-Facettentechnik von Cu-Nanopartikeln nahe minimierte freiliegende blanke Cu-Oberflächen in Katalysatoren auf Cu-ZnO-Basis als vielversprechende Strategie zur Herstellung eines hochaktiven und selektiven Katalysators für die CO2-Hydrierung zu Methanol bei niedrigen Temperaturen.

Kinetisch gesehen läuft die Methanolsynthesereaktion an der ZnO-Cu{110}-Grenzfläche mit einem sehr niedrigen Ea von etwa 25,3 kJ/mol bei niedrigen Temperaturen problemlos ab, während die RWGS-Reaktion mit einer hohen Barriereoberfläche thermodynamisch nicht erfolgt, eine niedrige Reaktionstemperatur begünstigt dies exotherme Methanolsynthesereaktion, nicht jedoch die endotherme RWGS-Reaktion.