CO-Mediated Relay Catalysis Affords Selective CO2 Hydrogenation to Methanol

化学 甲醇 催化作用 组合化学 离解(化学) 光化学 选择性 石油化工 动力学同位素效应 有机化学 同位素标记 紫外线 多相催化 质谱法 化学工程 一氧化碳 键裂 反应机理 催化循环 无机化学 红外光谱学
作者
Tangkang Liu,Yunya Guo,Xianfeng Yi,Chengyuan Liu,Long Zhao,Lixia Ling,Xinlin Hong,Guoliang Liu,Anmin Zheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c13528
摘要

Abstract Although technologically promising for producing petrochemicals directly from renewable resources, CO2 hydrogenation to methanol remains a formidable challenge due to the activity-selectivity trade-off. Current industrial copper-based catalysts often generate substantial CO byproducts that limit CO2 utilization efficiency. Herein, we report a highly active and selective Cu/amorphous ZrO2 (Cu/a-ZrO2) catalyst by using a modified solvothermal method, which achieves a space-time methanol productivity of up to ∼1560 gmethanol kgcat–1 h–1 with a high methanol selectivity of ∼76% at 260 °C. The strategic integration of in situ synchrotron-based vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometry (SVUV-PIMS), multimodal in situ/operando infrared spectroscopies, kinetic isotope experiments, and computational studies collectively demonstrate that the direct dissociation of C–O bond in CO2 generates *CO followed by subsequent hydrogenation to methanol via relay catalysis on adjacent Cu+–ZrOx and Cu0 dual sites, which subsequently promote the initial activation step of CO2 and the subsequent hydrogenation steps of *CO to methanol, respectively. We confirm that methanol synthesis follows a *CO-mediated mechanism on these sites, highlighting the origin of the excellent performance of self-designed Cu/a-ZrO2.
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