Coordination Environment Dependent Surface Cu State for CO2 Hydrogenation to Methanol

催化作用 甲醇 化学状态 X射线光电子能谱 化学 金属 产量(工程) 无机化学 氧化态 化学工程 材料科学 冶金 有机化学 工程类
作者
Mengyang Song,Tangkang Liu,Xinlin Hong,Guoliang Liu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (32): 12135-12144 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c03163
摘要

Catalytic conversion of CO2 with green hydrogen produced from renewable sources into methanol is one of the promising ways to cycle waste CO2 for carbon neutralization. The activity of Cu-based catalysts for methanol synthesis is closely related to the chemical environment of Cu species, which can be modulated by the special structure of MOFs. It is desired to elucidate the relationship between coordination environment of MOFs and chemical state of confined active metal (e.g., Cu). Herein, we regulate the surface Cu state by changing the coordination environment of copper in MOF-derived catalysts (Cu@UiO-66 and Cu@UiO-66-NH2). It is found that Cu species in the fresh Cu@UiO-66 catalyst occupy defect sites coordinated by carboxyl groups while being complexed by amino groups in Cu@UiO-66-NH2. Combined with XPS and in situ DRIFTS spectra, we find that the Cu@UiO-66 precursor facilitates the formation of Cu+-ZrO2 interfaces upon in situ activation, while Cu@UiO-66-NH2 favors the generation of metallic Cu sites. The catalytic results show that the methanol space-time yield of Cu@UiO-66 reaches 2.86 g gCu–1 h–1, which is 1.7 times that of Cu@UiO-66-NH2 and 6.0 times that of commercial Cu/ZnO/Al2O3 under the same conditions (260 °C, 1 MPa). The Cu@UiO-66 catalyst also shows good stability for 100 h in a time-on-stream test. We believe that the superior activity of Cu@UiO-66 is attributed to the formation of abundant Cu+-ZrO2 interfacial sites as active sites for methanol synthesis from CO2/H2.
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