In Situ Generation of the Cu@3D-ZrOx Framework Catalyst for Selective Methanol Synthesis from CO2/H2

催化作用 甲醇 多孔性 氧化物 产量(工程) 无定形固体 材料科学 四方晶系 多相催化 傅里叶变换红外光谱 空间速度 化学工程 选择性 化学 结晶学 晶体结构 有机化学 复合材料 冶金 工程类
作者
Tangkang Liu,Xinlin Hong,Guoliang Liu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (1): 93-102 被引量:130
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b03738
摘要

Cu-based catalysts have been widely studied for direct hydrogenation of CO2 to methanol. Their activities quite depend on the amount of exposed active sites (e.g., Cu-oxide interfaces), which can be tuned by the particle size as well as porosity. Here, we report an active, selective, and stable Cu@ZrOx catalyst with a three-dimensional (3D) porous framework structure via the in situ reconstruction of size-confined Cu@UiO-66. The optimized CU-0.5-300 catalyst shows a high methanol selectivity of 78.8% at a conversion of 13.1% at 260 °C, 4.5 MPa, giving a methanol space-time yield of 796 g·kgcat–1·h–1. It also shows long-term stability for 105 h in a time-on-stream test. Such good performance benefits from abundant Cu–ZrOx interfaces and a stable 3D ZrOx framework. During the reaction, ZrOx species in situ evolves from the unstable Zr-oxide cluster (the building unit of UiO-66) or amorphous ZrO2 to a stable tetragonal ZrO2 phase, but strong metal–support interaction (SMSI) at Cu–ZrOx interfaces retains. The SMSI enables the formation of Cu+ at the ZrO2 surface, which is strongly associated with the active sites for methanol synthesis. In situ diffuse-reflectance infrared Fourier transform spectroscopy studies reveal methanol synthesis which follows a HCOO-intermediated pathway. It is believed that this work provides an "in situ reconstruction" strategy to fabricate a practical Cu@ZrOx framework catalyst for methanol production.
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