Reaction‐Induced Formation of Stable Mononuclear Cu(I)Cl Species on Carbon for Low‐Footprint Vinyl Chloride Production

氯乙烯 催化作用 材料科学 乙炔 吸附 化学工程 纳米颗粒 氯化铜 纳米技术 有机化学 化学 冶金 共聚物 工程类 复合材料 聚合物
作者
Dario Faust Akl,Georgios Giannakakis,Andrea Ruiz‐Ferrando,Mikhail Agrachev,Juan D. Medrano‐García,Gonzalo Guillén‐Gosálbez,Gunnar Jeschke,Adam H. Clark,Оlga V. Safonova,Sharon Mitchell,Núria López,Javier Pérez‐Ramírez
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (26) 被引量:26
标识
DOI:10.1002/adma.202211464
摘要

Copper catalysts are attractive candidates for Hg-free vinyl chloride monomer (VCM) production via acetylene hydrochlorination due to their non-toxic nature and high stability. However, the optimal architecture for Cu-based catalysts at the nanoscale is not yet fully understood. To address this gap, the metal precursor and the annealing temperature are modified to prepare copper nanoparticles or single atoms, either in chlorinated or ligand-free form, on an unmodified carbon support. Evaluation in the reaction reveals a remarkable convergence of the performance of all materials to the stable VCM productivity of the single-atom catalyst. In-depth characterization by advanced microscopy, quasi in situ and operando spectroscopy, and simulations uncover a reaction-induced formation of low-valent, single atom Cu(I)Cl site motif, regardless of the initial nanostructure. Various surface oxygen groups promote nanoparticle redispersion by stabilizing single-atom CuClx species. The anchoring site structure does not strongly influence the acetylene adsorption energy or the crucial role they play in stabilizing key reaction intermediates. A life-cycle assessment demonstrates the potential environmental benefits of copper catalysts over state-of-the-art alternatives. This work contributes to a better understanding of optimal metal speciation and highlights the sustainability of Cu-based catalysts for VCM production.
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