最新JACS精读铯诱导的活性位点用于CO2合成乙醇
喜欢就 关注我们吧,订阅更多最新消息
第一作者: Xuelong Wang
通讯作者: José A. Rodriguez,Ping Liu
通讯单位: 美国布鲁克海文国家实验室
论文DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.1c03940
全文速览
将二氧化碳有效转化为乙醇或高级醇是多相催化中的一大挑战,并引起了基础科学研究和商业应用的极大兴趣。在这里,作者报告了通过在 ZnO(0001)基底上共沉积 Cs 和 Cu 所产生的催化剂,可以促进二氧化碳加氢生成甲醇/乙醇。作者在工作中使用了催化测试、X 射线光电子能谱 (XPS) 以及基于密度泛函理论 (DFT) 和动力学蒙特卡罗 (KMC) 模拟的计算组合。XPS 的结果表明,当催化剂从 Cs/Cu (111)变换为 Cs/Cu/ZnO (0001)时,反应机理发生了明显的变化。Cs 对 C-C 耦合的促进作用是 Cs、Cu 和 ZnO 组分之间协同作用的结果(可以导致表面上生成 CH x 和 CH y O 物种)。基于DFT 的 KMC 模拟表明,Cs 的沉积在 Cu-Cs-ZnO 界面引入了具有独特结构的多功能位点,能够促进与 CO 2 的相互作用,从而可以通过甲酸盐途径合成甲醇。更重要的是,它调节了 CHO 的结合,从而使其能促进 HCOOH 通过甲酸盐途径分解为 CHO,并允许后续进一步氢化为甲醇。 CHO 的结合调控还可以使一对CHO 紧密排列,以促进 C-C 偶联并最终促进乙醇合成。该研究为在广泛使用的低成本铜基催化剂上将二氧化碳高活性/选择性地转化为高级醇开辟了新的可能性。
背景介绍
二氧化碳 (CO 2 ) 等温室气体有效转化为具有附加值的化学品和燃料,已经引发了越来越多的关注。其中,催化加氢反应,由于可以将 CO 2 转化为许多高价值化学品和燃料,包括甲醇 (CH 3 OH) 和高级醇,特别引人注目。尽管催化 CO 2 加氢生成 CH 3 OH 已在工业中得到广泛研究,但相比之下,更安全且能量密度更高的乙醇 (C 2 H 5 OH)的转化合成的途径仍非常有限。
Cu/ZnO/Al 2 O 3 催化剂是 CO 2 加氢合成 CH 3 OH 的主要工业催化剂,其主要产物为一氧化碳 (CO) 和 CH 3 OH。然而,由于C-O键断裂和C-C偶联较难,催化剂无法通过吸附的甲酰(*CHO)或甲醛(*CH 2 O)前体合成乙醇。为了生产C 2 H 5 OH,需要添加促进剂以促进 C-O 键解离/ C-C 偶联。不幸的是,这些促进作用相关的潜在机制仍然未知,这阻碍了 Cu/ZnO 从广泛使用的 CH 3 OH 合成催化剂向 C 2 H 5 OH 或更高级醇合成催化剂的发展。由于反应的复杂性和控制 C-C 耦合的难度,这是非常具有挑战性的,但对学术研究和实际应用意义重大。
以前的机理研究仅限于 CO 加氢,其中根据同位素实验,Cs 被提议用于促进两种甲醇衍生的 C 1 物种之间的 C-C 偶联。根据 Cs 2 O 修饰的 CuZn 合金表面的密度泛函理论 (DFT) 计算,吸附 *CHO被认为是 C-C 偶联前体。然而,这些 CO 转化研究不能外推到 CO 2 作为反应物的情况,因为这种吸附物会将 CuZn 合金氧化成 Cu-ZnO 界面,用于促进CO 2 → CH 3 OH 的选择性转化。
图文解析
图 1. 在 Cu (111),含0.1 ML(monolayer, 单层)Cs 的Cu (111),含0.4 ML Cu的 ZnO (0001),含0.1 ML Cs且预覆盖了0.4 ML Cu 的ZnO (0001)表面上合成甲醇的Arrhenius图。催化测试在 0.049 MPa (0.5 atm) 的 CO 2 加0.441 MPa (4.5 atm) 的 H 2 下进行。
图 2. 在 550 K 下将 Cs/Cu (111)和
Cs/Cu/ZnO (0001)表面暴露于 CO 2 (0.5 atm) 和 H 2 (4.5 atm) 的混合物后收集的 C 1s XPS 光谱。两者的 Cs 表面覆盖率为 0.1 ML。
Cs/Cu/ZnO (0001)中的Cu覆盖率为0.4ML。
图 3.含有 0.1 ML Cs 和 0.4 ML Cu 的
Cu/Cs/ZnO (0001)表面上合成乙醇的Arrhenius图。催化测试在 0.049 MPa (0.5 atm) 的 CO 2 加 0.441 MPa (4.5 atm) 的 H 2 下进行…
图 4. RWGS + CO 加氢途径 (A) 和甲酸盐途径 (B) 在
Cu/ZnO (0001)和Cu/Cs/ZnO (0001)表面上从 C 2 合成甲醇的势能图。 "TS",过渡态。一些关键中间体的结构:*CO 2 (C)、*CHO (E)、*HCOO (G)、*HCOOH (I) 在 Cu/ZnO (0001)上和 *CO 2 (D)、*CHO (F)、 *HCOO (H), *HCOOH (J) 在Cu/Cs/ZnO (0001)上。Zn,蓝色;Cu,棕色;O,红色;Cs,绿色;C,灰色;H,白色。未直接参与反应的 ZnO (0001)以线模型表示。
图 5. DFT 计算:在 (A) Cu/ZnO (0001)表面和(B) Cu/Cs/ZnO (0001)表面上通过 *CHO的 C-C 偶联反应势能图,插图为相关中间体的结构(Cu,棕色;O,红色;Cs,绿色;C,灰色;H,白色)。不直接参与反应的ZnO (0001)以线模型表示。
图 6. (A) 在 Cu/Cs/ZnO (0001)表面上通过 *HCO 合成乙醇的势能图。"TS",过渡状态。下图为关键中间体的结构:(B)*OHCCH 2 O,(C)*OHCCH 2 OH+Hv,(D)*OHCCH 2 +*OH+Hv,(E)*OHCCH 2 +*H 2 O+Hv,(F)*OHCCH 2 ,(G) *OH 2 CCH 2 、(H) *OH 2 CCH 3 和 (I) *C 2 H 5 OH(Cu,棕色;O,红色;Cs,绿色;C,灰色;H,白色)。不直接参与反应的
ZnO (0001)以线模型表示。
总结与展望
上述结果表明,作者采用了催化测试、XPS、DFT 计算和 KMC 模拟组合验证了在 Cu/Cs/ZnO (0001)表面上的 CO 2 加氢过程中 Cs 促进的甲醇合成和乙醇合成。XPS 测量和 DFT/KMC 结果都显示,当从 Cs/Cu (111)或
Cu/ZnO (0001)转换为 Cs/Cu/ZnO (0001)时,反应机制发生了明显的变化。基于 DFT 的 KMC 研究表明,促进效应与整体效应有关。具体而言,Cs 位点可以通过在 Cu-Cs-ZnO 界面形成强 O-Cs 键来直接稳定含 O 中间体(*CO 2 、*HCOOH、*CHO 和 *CH 2 O)和相关的过渡态。Cs 能促进的甲醇合成主要归因于可以获得稳定的 *CO 2 ,这有助于通过甲酸盐途径加氢为甲醇。此外,*CHO 中间体的结合可以被增强,以促进 *HCOOH 沿着甲酸盐途径分解为 *CHO,这通常在铜基催化剂上比较困难;此外,其结合能力又足够弱,可以允许进一步的氢化成甲醇。 *CHO 结合的调控也为乙醇合成开辟了新途径。例如,*CHO 作为前体,经过 C-C 偶联并形成关键的 C 2 中间体 *OHCCHO,最终通过 *OHCCH 2 O、*OHCCH 2 OH、*OHCCH 2 、*OH 2 CCH 2 和*OH 2 CCH 3
中间体来形成乙醇。Cu 位点还有助于增强甲醇和乙醇的合成(通过为反应中间体的 C 锚定提供活性位点)。作为精细载体,ZnO (0001)表面允许 Cs 和 Cu 簇负载,促进 C-C 偶联和氢化步骤。此外,ZnO 还可以通过快速的 *H 转移来直接参与反应以进行氢化。该研究强调了界面上多功能位点 Cs、Cu 和 ZnO 之间良好协调的相互作用对于在
Cu/Cs/ZnO (0001)上的 CO 2 加氢过程中增强甲醇/乙醇合成的重要性。
同比大增上半年全球汽车电池装机量日前,有媒体报道,SNEResearch近期发布的调查结果显示,今年上半年全球电动汽车电池的累计装机量为114。1GWh,同比大增153。7。其中,宁德时代以29。9的市占率排名第
从2021广汽集团投资者开放日,读懂新能源车行业独特的埃安现象7月27日,广汽举行了以引领驾势智创未来为主题的2021广汽集团投资者开放日活动,高端智能电动车品牌广汽埃安在此次活动上又向外界展示了6C超级快充等一系列令人瞩目的新能源车黑科技。
航天局年度预算近700亿元,如此巨大的投入又有哪些产出?近期关于航天探索声音很多,有很多人怀疑探索太空属于浪费资源,来看看资金来源与产生效益。据相关媒体报道,中国航天局年度预算约为110亿美元,仅次于美国航天局的210亿美元。在航天领域
汽车之城底特律的兴起繁荣与衰败(上)引言聊起汽车,很难不提起底特律,这座因为汽车而闻名全球的城市,繁荣过后,又很快跌下神坛,很想深入了解一下这座城市的过往与兴衰。看到下面这幅图片,是否很难想到这是曾经全球顶级城市今天
小电动也有精致生活,实拍奇瑞新能源小蚂蚁20万蚁粉款带遮阳帘的全景天幕电动一键放倒的座椅手机无线充电10英寸中控大屏以及综合408km的续航里程,这些东西如果出现在一台1520万级电动汽车上可能并不新奇。但是如果一辆价格实在的A00
嘉靖皇帝疯狂的长生之梦,沉迷方家术士,帝王以身试药大自然在赋予了芸芸众生的美好生命之后,不久又将其毫无例外地加以剥夺。春天里,芳草连天,竞相吐艳,可是秋天一到,便枯萎发黄,直到化为尘泥,沦落霄壤。草木如此,人生又何尝不是这样!面对
一年制硕士,英国中国香港新加坡,到底哪个性价比更高?英国中国香港新加坡这三地的硕士留学都以一年制申请为主,学制较短含金量高而且名校云集。不少同学在面对三个如此相似的留学目的地时,就容易犯选择困难症。今天就从语言文化学费标准申请难度就
净水器这么好用,为什么在中国还是不普及?一张图了解净水器光速发展的经济让我们的生活变得愈发滋润,但在这背后,我们看不到的地方,无论是空气还是水,都受到了难以规避的重重污染。空气污染严重,自来水水质状况不容乐观,这让身处钢筋水泥森林中的我
绝不能让我们的教育商业化目前我们的教育,特别是基础教育,有些己经被社会培训机构所严重影响,在一定程度上绑架了老师绑架了家长,绑架了孩子,更担心会绑架我们的教育事业。这并非是危言耸听,当前各种校外班辅导班,
欠债不还?纯系流氓行为根据美国福克斯新闻报道,美国众议院议员马斯特最近准备了个提案,内容是美国和其他国家应该永久扣留拖欠中国的债务。他认为,中国是新冠肺炎的发源地,抗击疫情缺乏透明度,导致了美国数十万人
特朗普弹劾案虽然过关,但接下来他并不好过洪庆教书匠北京时间14日,美国参议院就前总统特朗普弹劾案进行最后表决,最终以57票赞成43票反对的结果,未能通过煽动叛乱弹劾条款,特朗普未被定罪。根据美国宪法规定,在弹劾案表决中,