Optimizing Binding Energies of Key Intermediates for CO2 Hydrogenation to Methanol over Oxide-Supported Copper

化学 甲醇 钥匙(锁) 氧化物 无机化学 结合能 计算化学 有机化学 原子物理学 生态学 生物 物理
作者
Shyam Kattel,Binhang Yan,Yixiong Yang,Jingguang G. Chen,Ping Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (38): 12440-12450 被引量:843
标识
DOI:10.1021/jacs.6b05791
摘要

Rational optimization of catalytic performance has been one of the major challenges in catalysis. Here we report a bottom-up study on the ability of TiO2 and ZrO2 to optimize the CO2 conversion to methanol on Cu, using combined density functional theory (DFT) calculations, kinetic Monte Carlo (KMC) simulations, in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) measurements, and steady-state flow reactor tests. The theoretical results from DFT and KMC agree with in situ DRIFTS measurements, showing that both TiO2 and ZrO2 help to promote methanol synthesis on Cu via carboxyl intermediates and the reverse water-gas-shift (RWGS) pathway; the formate intermediates, on the other hand, likely act as a spectator eventually. The origin of the superior promoting effect of ZrO2 is associated with the fine-tuning capability of reduced Zr(3+) at the interface, being able to bind the key reaction intermediates, e.g. *CO2, *CO, *HCO, and *H2CO, moderately to facilitate methanol formation. This study demonstrates the importance of synergy between theory and experiments to elucidate the complex reaction mechanisms of CO2 hydrogenation for the realization of a better catalyst by design.
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