Hydrogen Spillover-Mediated Spatial Decoupling Process Boosts Syngas Conversion to Higher Oxygenates

氧合物 化学 合成气 催化作用 氢溢流 堆积 化学工程 解耦(概率) 摩尔比 反应中间体 多相催化 解聚 溶剂 选择性 费托法 组合化学 纳米技术 摩尔质量 化学反应工程 碳氢化合物
作者
Li Su,Zili Ma,Xinyu Zhong,Bo Wu,Jingxuan Guo,Bin Chai,Jianfei Ji,Chengyuan Liu,Jungang Wang,Qiang Wang,Jun Bao,Kegong Fang,Yuhan Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (51): 47187-47202 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14341
摘要

The direct conversion of syngas to higher oxygenates presents a fundamental challenge in simultaneously achieving high CO conversion, superior oxygenate selectivity, and minimal undesired C1 byproducts. Here, we develop a series of multifunctional CuxPd1/SiO2|CoMn catalysts with granule stacking architecture, which overcome the challenge by precisely controlling the spatial arrangement of active sites and the intermediate transport pathway. Systematic optimization reveals a distinct volcano-shaped relationship on Pd loadings, with the Cu28Pd1/SiO2|CoMn composite emerging as the optimal candidate. Such a catalyst achieves an exceptional oxygenates molar selectivity of 44.4% (C2+OH/ROH = 95.4%) while maintaining low C1 products (6.4% CO2 and 5.7% CH4) at considerable 27.3% CO conversion. Mechanistic studies reveal that the breakthrough stems from precise control of spatial intimacy of functional components, optimized mass balance between CHxO* and CHx*, and isolated Pd atom-mediated hydrogen spillover effects. Based on spectroscopic evidence with theoretical calculations, we propose a synergistic catalytic system wherein PdCu single-atom alloys facilitate H2 activation and CHxO* formation through hydrogen spillover, while Co0-Co2C interfaces produce abundant CHx* species. The synergistic interaction enables the migration of CHxO* intermediates from single-atom alloy sites to Co0-Co2C interfaces, where they undergo further insertion into CHx* species, ultimately leading to hydrogenation and formation of higher oxygenates.
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