Mechanistic insights into the role of zinc oxide, zirconia and ceria supports in Cu-based catalysts for CO2 hydrogenation to methanol

格式化 催化作用 甲醇 碳酸氢盐 立方氧化锆 氧化物 解吸 烧结 化学 无机化学 热脱附光谱法 吸附 物理化学 有机化学 陶瓷
作者
George J. Fulham,Xianyue Wu,Wen Liu,Ewa Marek
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:480: 147732-147732 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147732
摘要

Copper-based catalysts enable the hydrogenation of CO2 to methanol (MeOH). Selective MeOH synthesis requires the interaction of copper with a metal oxide support to facilitate CO2 adsorption and hydrogenation. Here, we systematically appraise the role of ZnO, ZrO2 and CeO2 in Cu-based catalysts for low-pressure (1 bar) MeOH synthesis. During temperature-programmed desorption (TPD) of CO2, the bare ZnO, ZrO2, and CeO2 exhibited desorption events at both low (70–100 °C) and high (400–700 °C) temperatures, also observed when combining each support with copper. Investigations in a packed bed reactor showed suppressed CO by-production over Cu-ZrO2, leading to a 1.5-fold improvement as compared to Cu-ZnO. Upon Cu-CeO2, CO2 was prone to undergo reduction to CO and desorb, resulting in a MeOH yield 9 times lower than over Cu-ZrO2. Experiments aiming at intermittent operation with successive start-ups and shut-downs showed that the performance of Cu-ZrO2 catalyst remained stable, whilst Cu-ZnO deteriorated monotonically, ascribed to sintering driven by OH and H2O species. In situ infrared spectroscopy demonstrated that methanol synthesis over Cu-ZnO progresses via a single pathway with formate species, whilst parallel formate and bicarbonate pathways were demonstrated over Cu-ZrO2. Unlike Cu-ZnO, the formation of bicarbonate over Cu-ZrO2 allows surface OH species to participate in MeOH synthesis, which we link to the superior performance and stability of Cu-ZrO2.
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