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Hydrogenation of CO2 to Methanol by Pt Nanoparticles Encapsulated in UiO-67: Deciphering the Role of the Metal–Organic Framework

化学 催化作用 格式化 甲醇 金属有机骨架 纳米颗粒 羰基化 蒸汽重整 金属 密度泛函理论 化学工程 吸附 制氢 无机化学 光化学 物理化学 一氧化碳 计算化学 有机化学 工程类
作者
Emil Sebastian Gutterød,Andrea Lazzarini,Torstein Fjermestad,Gurpreet Kaur,Maela Manzoli,Silvia Bordiga,Stian Svelle,Karl Petter Lillerud,Egill Skúlason,Sigurd Øien‐Ødegaard,Ainara Nova,Unni Olsbye
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (2): 999-1009 被引量:182
标识
DOI:10.1021/jacs.9b10873
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) show great prospect as catalysts and catalyst support materials. Yet, studies that address their dynamic, kinetic, and mechanistic role in target reactions are scarce. In this study, an exceptionally stable MOF catalyst consisting of Pt nanoparticles (NPs) embedded in a Zr-based UiO-67 MOF was subject to steady-state and transient kinetic studies involving H/D and 13C/12C exchange, coupled with operando infrared spectroscopy and density functional theory (DFT) modeling, targeting methanol formation from CO2/H2 feeds at 170 °C and 1-8 bar pressure. The study revealed that methanol is formed at the interface between the Pt NPs and defect Zr nodes via formate species attached to the Zr nodes. Methanol formation is mechanistically separated from the formation of coproducts CO and methane, except for hydrogen activation on the Pt NPs. Careful analysis of transient data revealed that the number of intermediates was higher than the number of open Zr sites in the MOF lattice around each Pt NP. Hence, additional Zr sites must be available for formate formation. DFT modeling revealed that Pt NP growth is sufficiently energetically favored to enable displacement of linkers and creation of open Zr sites during pretreatment. However, linker displacement during formate formation is energetically disfavored, in line with the excellent catalyst stability observed experimentally. Overall, the study provides firm evidence that methanol is formed at the interface of Pt NPs and linker-deficient Zr6O8 nodes resting on the Pt NP surface.
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