Unlocking Methanol Synthesis from CO2 and H2 on ZnO/ZrO2 Catalysts: Surface Hydroxyl-Mediated Activation

催化作用 甲醇 材料科学 一氧化碳 化学 化学工程 无机化学 有机化学 工程类
作者
Haohao Chang,Feifan Gao,Sicong Ma,Yifeng Zhu,Zhi‐Pan Liu,Junhui Liu,Heyong He,Keke Zhang,Yongmei Liu,Yong Cao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (8): 6005-6017 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c01585
摘要

ZnO/ZrO2 catalysts show promise for CO2-to-methanol conversion, but the challenge of effective CO2 and H2 adsorption and activation hinders efficiency. Herein, we address this issue by systematically adjusting the calcination temperature of m-ZrO2 and optimizing interfacial interactions, which results in the suppression of terminal and hydrogen-bonded hydroxyl groups that hinder catalytic activity and the enrichment of interfacial and bridging hydroxyl groups that facilitate methanol synthesis. The combination of in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR), and density functional theory (DFT) calculations has elucidated that interfacial hydroxyl groups (Zn–OH–Zr) activate CO2, forming the metastable bicarbonate species, which is essential for the formate pathway of methanol synthesis. Moreover, bridging hydroxyl groups (Zr–OH–Zr) facilitate proton transfer to intermediates, with adjacent ZnO clusters providing additional protons through H2 dissociation, thereby emphasizing the pivotal function of hydroxyl groups in the methanol production process. Based on these insights, we prepared the 20% ZnO–ZrO2–OG catalyst with highly dispersed ZnO and abundant bridging hydroxyl groups, achieving an 84% methanol selectivity and an ∼10% CO2 conversion at high space velocity. This revelation offers valuable insights and guides the way for the development of more efficient catalysts, essential for the advancement of effective carbon management.
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