Investigación reciente publicada en la revista Science China Chemistry explora estructuras activas de cobre en catálisis interfacial ZnO-Cu. Se realizaron muchos experimentos, incluida la preparación de catalizadores, caracterizaciones estructurales, evaluación del rendimiento catalítico y cálculos de DFT.
Utilizando varios nanocristales (NC) de Cu con facetas de Cu bien definidas y los correspondientes catalizadores inversos de NC de ZnO/Cu, se demostró que la faceta Cu{110} es la faceta más activa para la catálisis interfacial ZnO-Cu en CO2 hidrogenación a metanol con una energía de activación aparente tan baja como 25,3 ± 2,6 kJ/mol, mientras que la faceta de Cu es la faceta más activa tanto para la catálisis interfacial de ZnO-Cu como para la catálisis de Cu en la reacción RWGS.
Mientras tanto, aunque la interfaz ZnO-Cu es más activa para catalizar la reacción RWGS que la superficie de Cu, la reacción RWGS ocurre principalmente en la superficie desnuda de Cu de los catalizadores inversos ZnO/Cu en lugar de en la interfaz ZnO-Cu, bajo la superficie de CO
El estudio fue dirigido por el Prof. Weixin Huang (Laboratorio clave de Química inteligente y de precisión, Universidad de Ciencia y Tecnología de China), el Prof. Wenhua Zhang (Laboratorio clave de Química inteligente y de precisión, Universidad de Ciencia y Tecnología de China) y Dr. Zongfang Wu (Centro Nacional de Investigación de Ciencias Físicas a Microescala de Hefei, Universidad de Ciencia y Tecnología de China).
"Los nanocristales catalíticos uniformes con estructuras bien definidas han demostrado un gran potencial para estudios fundamentales de catálisis heterogénea en condiciones de trabajo. Los catalizadores basados en Cu-ZnO se han estudiado ampliamente para catalizar CO2 hidrogenación a metanol de valor añadido, en la que la selectividad del metanol, sin embargo, está limitada por la reacción RWGS que la acompaña", dice Huang.
"Usando catalizadores modelo de Cu monocristalinos, rendimiento catalítico de catalizadores de Cu y ZnO/Cu tanto en CO2 Se demostró que la hidrogenación a metanol y las reacciones RWGS dependen sensiblemente de los planos cristalinos de Cu, pero las tasas de formación de CO medidas fueron de dos a tres órdenes de magnitud mayores que las correspondientes de CH3 Tasas de formación de OH, en contraste con el rendimiento catalítico de los catalizadores en polvo basados en Cu-ZnO."
"Para abordar la controversia entre los catalizadores en polvo y los catalizadores modelo monocristalinos, hemos llevado a cabo un estudio de cálculo teórico y experimental combinado de NC de Cu con facetas de Cu bien definidas y los correspondientes catalizadores inversos de NC de ZnO/Cu en condiciones típicas de CO2 hidrogenación a metanol y reacciones RWGS."
Los resultados adquiridos en la faceta activa de Cu para la catálisis interfacial ZnO-Cu para CO2 La hidrogenación a metanol y las reacciones RWGS no solo profundizan la comprensión fundamental de la sensibilidad estructural de la catálisis interfacial de ZnO-Cu, sino que también sugieren la ingeniería de facetas {110} de nanopartículas de Cu con superficies de Cu desnudas expuestas minimizadas en catalizadores basados en Cu-ZnO como una estrategia prometedora para fabricar un catalizador altamente activo y selectivo para CO2 hidrogenación a metanol a bajas temperaturas.
Cinéticamente, la reacción de síntesis de metanol en la interfaz ZnO-Cu{110} con un Ea muy bajo de aproximadamente 25,3 kJ/mol se desarrolla fácilmente a bajas temperaturas, mientras que la reacción RWGS con una superficie de barrera alta no lo hace termodinámicamente, una temperatura de reacción baja favorece la reacción exotérmica de síntesis de metanol pero no la reacción endotérmica RWGS.
Más información: Wei Xiong et al, Estructuras activas de cobre en catálisis interfacial ZnO-Cu:hidrogenación de CO2 a metanol y reacciones inversas de cambio de agua-gas, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7
Proporcionado por Science China Press
