ZrO2 Morphology-Dependent Cu–ZrO2 Interfacial Catalysisin CO2 Hydrogenation toMethanol Reaction

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作者
Jieqiong Ding (11192000),Dongdong Wang (742338),Jialin Li (382950),Weixin Huang (1441456)
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c01716.s001
摘要

In this study, we utilize monoclinic ZrO2 with different morphologies, including nanoparticulate ZrO2, rod-like ZrO2, and star-like ZrO2, to investigate the ZrO2 morphology effect on Cu–ZrO2 interfacial catalysis in the CO2 hydrogenation to methanol reaction. ZrO2 morphology strongly affects the structures, adsorption behaviors, and catalytic performance of Cu/ZrO2 catalysts. Various Cu/ZrO2 catalysts show very different catalytic selectivities, although their catalytic activities are rather poor. Bridged (bri-HCOO*) and monodentate (m-HCOO*) formate species form on Cu/ZrO2 catalysts during the CO2 hydrogenation to methanol reaction. Elementary surface reaction kinetics analysis using temporal in situ DRIFTS in combination with online mass spectrometry reveals elementary reaction activation energies of 61.3 ± 5 kJ/mol for bri-HCOO* hydrogenation mainly to methanol and 85.0 ± 14 kJ/mol for m-HCOO* hydrogenation mainly to CO. Meanwhile, the apparent activation energy for CH3OH and CO formations from the CO2 hydrogenation reaction catalyzed by Cu/nanoparticulate ZrO2 is 65.7 ± 4 and 118.6 ± 14 kJ/mol, respectively. These results suggest that bri-HCOO* should be the formate intermediate for methanol production by CO2 hydrogenation, and its hydrogenation reaction should be the rate-limiting step. Our findings clearly differentiate the reaction pathways of bri-HCOO* and m-HCOO* intermediates on Cu/ZrO2 during the CO2 hydrogenation to methanol reaction and demonstrate catalyst structural engineering in combination with elementary surface reaction kinetics analysis as a powerful strategy for fundamental studies of complex heterogeneous catalytic reactions.
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