Develop High-Performance Cu-Based RWGS Catalysts by Controlling Oxide–Oxide Interface

催化作用 氧化物 接口(物质) 材料科学 化学工程 氧化铜 化学 冶金 复合材料 工程类 生物化学 毛细管数 毛细管作用
作者
Shiyan Li,Xu Liu,Jun Ma,Feifei Xu,Yuan Lyu,Siglinda Perathoner,Gabriele Centi,Yuefeng Liu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 3475-3486
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c07729
摘要

The high-temperature reverse water–gas shift (RWGS) is an industrially relevant reaction. Cu-based catalysts easily sinter and deactivate under these conditions. We demonstrate that it is possible to obtain high-performance and stable catalysts by modifying the mechanism of action. Cu/CeOx-MgO (denoted as Cu/CexMgy) catalysts were developed in which Cu nanoparticles mostly generate spillover H that migrates to support sites where CO2 is selectively reduced, with the rate controlled by the oxide–oxide CeOx-MgO interface. An optimal Cu/Ce0.05Mg0.95 catalyst (in terms of performance at the lowest possible Ce amount) exhibits a near-equilibrium CO2 conversion with a reaction rate of 516.0 μmol·gcat–1·s–1, near-total selectivity to CO at 600 °C, and a high space-velocity of 300,000 mL·gcat–1·h–1. These are among the top performances in the RWGS reaction. Extensive characterization data have proven that the surface-abundant Ce-[Ov]-Mg sites play a critical role in CO2 adsorption/activation as well as the carrier for the spillover of hydrogen species. The mechanism is substantially different from those indicated for Cu-based catalysts for CO2 hydrogenation. By decoupling H and CO2 activation sites and realizing efficient surface mobility of H-spillover species via an enhanced oxide–oxide interface, it is possible to maintain the overall stability and activity of the catalyst when the Cu nanoparticles sinter at a high temperature (i.e., ≥600 °C).
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