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Thermocatalytic CO2 hydrogenation to high-yield ethanol and C3‒C5 alcohols over promoted Fe-based catalysts

选择性 催化作用 乙醇 产量(工程) 化学 有机化学 氧气 乙醇燃料 乙烯 直接乙醇燃料电池 金属 甲醇 甲烷氧化偶联 无机化学 化学工程 多相催化 过渡金属 费托法 分数(化学) 合成气 协同催化
作者
Andrii Kostyniuk,S. S. Yakushkin,Blaž Likozar
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:116: 322-338
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2026.01.005
摘要

Rb-promoted CuZnFe catalysts enable efficient CO 2 hydrogenation with high ethanol selectivity and space-time-yield (STY), while effectively suppressing methanation, offering a promising route for renewable fuel production using green H 2 . Direct catalytic hydrogenation is an effective approach for CO 2 utilization to produce ethanol and higher alcohols (HA), but developing non-precious metal catalysts with high activity and selectivity remains a major challenge. In this study, we report the development of a highly efficient 4wt%Rb/25wt%Cu-25wt%Zn-50wt%Fe catalyst, synthesized via the co-precipitation method, for the selective hydrogenation of CO 2 to ethanol and HA in a continuous flow fixed-bed reactor. The catalyst delivers an ethanol space-time yield (STY) of 4.4 mmol g cat −1 h −1 with 48.8% ethanol selectivity in the gas phase, while the condensed liquid fraction exhibits a maximum C 2+ OH selectivity of 85.3% under 20 bar (H 2 /CO 2 = 3) in the temperature range of 200–300 °C over 16–19 h. The superior catalytic performance is attributed to the optimized Rb loading, which enhances structural stability, preserves crystallinity, and mitigates Cu leaching. The Rb-promoting effect on C–C coupling arises from the synergistic interactions among Rb-Cu-Fe, as well as Rb-Cu-Zn. This synergy facilitates the formation of CH 3 CH 2 O*, CH 3 COO*, and CH 3 CHO* species on Rb/Cu-Fe 5 C 2 and Rb/CuZn sites. Notably, the 4%Rb/CuZnFe catalyst exhibits the most significant modifications in its electronic environment, likely due to changes in oxygen vacancies and altered metal-oxygen interactions upon Rb incorporation. Furthermore, the 4% Rb content plays a critical role in maintaining an optimal balance between catalyst basicity and oxygen vacancies, effectively enhancing CO 2 activation while suppressing side reactions. These findings underscore the potential of Rb-modified CuZnFe catalysts for efficient CO 2 hydrogenation to HA, offering a promising avenue for sustainable chemical production.
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