Visualization of the Active Sites of Zinc–Chromium Oxides and the CO/H2 Activation Mechanism in Direct Syngas Conversion

化学 合成气 催化作用 离解(化学) 光化学 无机化学 一氧化碳 覆盖层 物理化学 有机化学
作者
Yuxiang Chen,Shaobo Han,Xiulian Pan,Feng Jiao,Wei Liu,Yang Pan,Xinhe Bao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (3): 1887-1893 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07332
摘要

Despite wide studies demonstrating the versatility of the metal oxide-zeolite (OXZEO) catalyst concept to tackle the selectivity challenge in syngas chemistry, the active sites of metal oxides and the mechanism of CO/H2 activation remain to be elucidated. Herein, we demonstrate experimentally the role of Cr in zinc–chromium oxides and unveil visually, for the first time, the active sites for CO activation employing scanning transmission electron microscopy-electron energy loss spectroscopy using the volumetric density of surface carbon species as a descriptor. The ZnCr2O4 spinel surface with atomic ZnOx overlayer is the most active site for C–O bond dissociation, particularly at the narrow ZnCr2O4(110) facets constrained between the (311) and (111) facets, followed by the Cr-doped wurtzite ZnO surface. In comparison, the surfaces of ZnCr2O4 with aggregated ZnOx overlayers, pure ZnO, and the stoichiometric ZnCr2O4 exhibit a significantly lower activity. In situ synchrotron-based vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometric study on different temperature programmed surface reactions with isotopes of C18O, 13CO, and D2 validates direct CO dissociation over ZnCrn oxides in CO, forming CH2 and further to hydrocarbons if H2 is present and CH2CO intermediates in syngas. The activity of CO dissociation and hydrogenation over ZnCrn oxides correlates well with the syngas-to-light-olefins activity of ZnCrn-SAPO-18 composite catalysts as a function of the Cr/Zn ratio.
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