Die starke Nutzung fossiler Brennstoffe zum Antrieb industrieller Prozesse und menschlicher Aktivitäten hat zu zunehmend übermäßigen Emissionen von anthropogenem CO2 in unsere Atmosphäre geführt, die die 400-ppm-Marke überschreiten. Diese überaus hohe Konzentration an atmosphärischem CO2 hat zu einer Reihe negativer Folgen für das Klimasystem unseres Planeten geführt. CO2 kann jedoch eine strategische Kohlenstoffressource für die Synthese wertvoller Chemikalien und Kraftstoffe sein.
Es gab zahlreiche Berichte über Edelmetallkatalysatoren, aber ihre Anwendung war aufgrund ihrer mäßigen katalytischen Leistung und hohen Kosten begrenzt. In der Familie der Nichtedelmetallkatalysatoren gehören Katalysatoren auf Cu-Basis zu den vielseitigsten und haben ein gutes Potenzial für viele industrielle Prozesse. Leider führt die niedrige Tammann-Temperatur von Kupfer und die daraus resultierende Oberflächenmigration dazu, dass Nanopartikel während der Reaktion sintern, was ihre Aktivität und Langzeitstabilität einschränkt.
An dieser Arbeit arbeitet ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Vivek Polshettiwar Das Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, stellte die Frage, wie die katalytische Aktivität und Stabilität eines Cu-Katalysators unter Verwendung des Konzepts der starken Metall-Träger-Wechselwirkungen (SMSI) und der Kooperativität der Defektstellen verbessert werden kann.
Sie berichteten über einen Katalysator mit aktiven Kupferstellen, der auf Titanoxid-beschichtetes dendritisches faserförmiges Nanosilica (DFNS/TiO2-Cu) für die Umwandlung von CO2 in CO geladen wurde. Die faserige Morphologie und die große Oberfläche von DFNS/TiO2 ermöglichten eine bessere Dispersion und eine hohe Beladung mit aktiven Stellen der Cu-NPs.
Dieser Katalysator zeigte eine hervorragende katalytische Leistung für die CO2-Reduktion mit einer CO-Produktivität von 5350 mmol g–1 h–1 (dh 53506 mmol gCu–1 h–1), die allen thermischen Katalysatoren auf Kupferbasis überlegen ist. Bemerkenswerterweise zeigte DFNS/TiO2-Cu10 eine Selektivität von 99,8 % gegenüber CO und war mindestens 200 Stunden lang stabil. Die defektgesteuerten starken Metall-Träger-Wechselwirkungen zwischen Cu und TiO2 hielten die Kupfer-Nanopartikel fest auf der Oberfläche des Trägers verankert und verliehen dem Katalysator eine hervorragende Stabilität.
Die EELS-Studien, In-situ-Infrarot-Fourier-Transformationsspektroskopie mit diffuser Reflexion, H2-temperaturprogrammierte Reduktion, Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie und Langzeitstabilität zeigten, dass es eine starke Wechselwirkung zwischen Kupferstellen und den Ti3+-Stellen gab, die eine gute Stabilität gewährleisteten und Dispersion der aktiven Kupferstellen. In-situ-Studien lieferten Einblicke in die Rolle von Defektstellen (Ti3+ und O-Leerstellen) bei der Einstellung von SMSI.
In-situ-zeitaufgelöstes Fourier-Transformations-Infrarot zeigte, dass CO2 nicht direkt zu CO dissoziiert, während die In-situ-Raman- und In-situ-UV-DRS-Studie zeigte, dass die Intensität der Sauerstoffleerstellen und Ti3+-Zentren nach Einführung von CO2 allmählich abnahm Gas in die Reaktorkammer und erhöht sich zunehmend, wenn es Wasserstoff ausgesetzt wird. Dies deutete darauf hin, dass die CO2-zu-CO-Umwandlung einem durch Wasserstoff unterstützten Redoxweg folgte.
Die hervorragende katalytische Leistung von DFNS/TiO2-Cu und mechanistische In-situ-Studien zeigten das Potenzial von Defekten bei der Abstimmung der starken Metall-Träger-Wechselwirkungen. Dieser Ansatz kann zum Design von katalytischen Systemen führen, die verschiedene aktive Stellen und defekte Träger verwenden.
Das Papier erscheint im Zeitschrift der American Chemical Society.
Mehr Informationen:
Rajesh Belgamwar et al, Defects Tune the Strong Metal-Support Interactions in Copper Supported on Defected Titanium Dioxide Catalysts for CO2 Reduction, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c01336