Sunlight-Driven Low-Pressure Dimethyl Carbonate Synthesis via Charge-Asymmetric Cu + –Ce 3+ Sites Enabling Cooperative CO 2 and Methanol Activation

化学 碳酸二甲酯 催化作用 甲醇 选择性 吸附 合理设计 组合化学 无机化学 光热治疗 活化能 化学工程 碳酸盐 光化学 产量(工程) 多相催化 协同催化 工作(物理)
作者
Shaohua Chen,R. J. LIU,Yanxue Wang,Zhiwei Zhan,Xiuting Wu,Chuanyun Yang,Linjie Gao,Yuan Tang,Yuchen Hao,Cuncai Lv,Yanfang Li,Jinhua Ye,Shangbo Ning
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 2222-2233
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c06720
摘要

The direct synthesis of dimethyl carbonate (DMC) from CO 2 and methanol represents an atom-economic route toward carbon fixation, yet is severely constrained by the inertness of CO 2 under low-pressure conditions. Herein, we report a charge-asymmetric Cu + –Ce 3+ dual-sites catalyst, constructed by Cu atom integration into CeO 2, which enables efficient DMC synthesis under natural sunlight (20 mW/cm 2 ) and low pressure (9 bar). Under these conditions, light primarily serves as a photothermal energy input, while the Cu + –Ce 3+ charge-asymmetric interfacial sites govern the reaction pathway and lower the energy barriers of key elementary steps. A high DMC yield of 41.7 mmol/g with ∼100% selectivity was achieved. Our experimental and theoretical prediction results confirmed a cooperative activation mechanism, in which Ce 3+ sites facilitate CO 2 adsorption and CO 2 * formation, while electron-deficient Cu + lowers the energy barrier for CH 3 O* generation. The proximity of these charge-polarized sites promotes the coupling of CH 3 O* and CO 2 * into CH 3 OCOO* intermediates and enables their facile conversion to DMC. This work not only sets a high catalytic benchmark for the low-pressure photothermal synthesis of DMC but also offers a rational strategy for designing catalysts to convert CO 2 into high-value C 2+ products.
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