CO2 Hydrogenation on ZrO2/Cu(111) Surfaces: Production of Methane and Methanol

氧化物 离解(化学) 甲醇 催化作用 金属 甲烷 化学 铜 氧化态 甲烷氧化偶联 合成气 无机化学 物理化学 有机化学
作者
Ning Rui,Rui Shi,Ramón A. Gutiérrez,Rina Rosales,Jindong Kang,Mausumi Mahapatra,Pedro J. Ramírez,Sanjaya D. Senanayake,José A. Rodríguez
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:60 (51): 18900-18906 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.1c03229
摘要

The conversion and utilization of carbon dioxide is a critical challenge for the reduction of greenhouse gas pollution and in the production of high value chemicals in C1 chemistry. ZrO 2 /Cu(111) is an inverse oxide/metal catalyst that displays high activity and stability for the hydrogenation of CO 2 into methanol at 500–600 K. At elevated temperatures, ZrO 2 grows on a CuO x /Cu(111) substrate forming islands of 10–12 nm in size and an average height of ∼3 Å. Reaction with H 2 leads to the removal of the copper oxide producing ZrO 2 /Cu(111) surfaces which are very active for the binding and dissociation of CO 2 into CO and C. After exposing ZrO 2 /Cu(111) to moderate or elevated pressures of a CO 2 /H 2 mixture at 300 K, atomic C and minor amounts of CH x O and CO x are deposited on the catalyst surface. The adsorbed CH x O and CO x disappear upon heating above 400 K. The catalytic tests for CO 2 hydrogenation give CO as the main reaction product and CH 4 and CH 3 OH as secondary products. The relative yields of methane and methanol change with time and track the amount of atomic C deposited on the active ZrO 2 /Cu(111) surface. The formation of methane stops once the catalyst surface is saturated with C. Under steady-state conditions, ZrO 2 /Cu(111) is a much better catalyst for methanol synthesis than ZnO/Cu(111). This trend reflects variations in the size of the oxide islands and in the strength of oxide-metal interactions. The use of an inverse oxide/metal configuration is an important synthetic tool when preparing active, selective, and stable catalysts for CO 2 hydrogenation.
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