Recente ricerca pubblicata sulla rivista Science China Chemistry esplora le strutture di rame attive nella catalisi interfacciale ZnO-Cu. Sono stati eseguiti numerosi esperimenti, tra cui preparazione del catalizzatore, caratterizzazioni strutturali, valutazione delle prestazioni catalitiche e calcoli DFT.

Utilizzando vari nanocristalli di Cu (NC) con sfaccettature Cu ben definite e corrispondenti catalizzatori inversi ZnO/Cu NC, la sfaccettatura Cu{110} è stata dimostrata come la sfaccettatura più attiva per la catalisi interfacciale ZnO-Cu in CO₂ idrogenazione in metanolo con energia di attivazione apparente di soli 25,3±2,6 kJ/mol, mentre la sfaccettatura Cu{100} è la sfaccettatura più attiva sia per la catalisi interfacciale ZnO-Cu che per la catalisi Cu nella reazione RWGS.

Nel frattempo, sebbene l'interfaccia ZnO-Cu sia più attiva nel catalizzare la reazione RWGS rispetto alla superficie Cu, la reazione RWGS avviene principalmente sulla superficie nuda di Cu dei catalizzatori inversi ZnO/Cu invece che sull'interfaccia ZnO-Cu, sotto la CO₂ condizione di reazione di idrogenazione a metanolo.

Lo studio è stato condotto dal Prof. Weixin Huang (Laboratorio chiave di chimica di precisione e intelligente, Università di Scienza e tecnologia della Cina), Prof. Wenhua Zhang (Laboratorio chiave di chimica di precisione e intelligente, Università di Scienza e tecnologia della Cina) e Dr. Zongfang Wu (Centro nazionale di ricerca di scienze fisiche su scala microscopica di Hefei, Università di scienza e tecnologia della Cina).

"Nanocristalli catalitici uniformi con strutture ben definite hanno dimostrato un grande potenziale per studi fondamentali sulla catalisi eterogenea in condizioni di lavoro. I catalizzatori a base di Cu-ZnO sono stati ampiamente studiati per catalizzare la CO₂ idrogenazione in metanolo a valore aggiunto, in cui la selettività del metanolo, tuttavia, è limitata dalla reazione RWGS di accompagnamento," afferma Huang.

"Utilizzo di catalizzatori modello a base di cristallo singolo di Cu, prestazioni catalitiche dei catalizzatori Cu e ZnO/Cu sia in CO₂ È stato dimostrato che le reazioni di idrogenazione a metanolo e RWGS dipendono sensibilmente dai piani cristallini di Cu, ma i tassi di formazione di CO misurati erano da due a tre ordini di grandezza superiori rispetto al corrispondente CH₃ Tassi di formazione di OH, in contrasto con le prestazioni catalitiche dei catalizzatori in polvere a base di Cu-ZnO."

"Per affrontare la controversia tra i catalizzatori in polvere e i catalizzatori modello a cristallo singolo, abbiamo condotto uno studio combinato di calcolo sperimentale e teorico di Cu NC con sfaccettature Cu ben definite e corrispondenti catalizzatori inversi ZnO / Cu NC in condizioni tipiche di CO₂ idrogenazione a metanolo e reazioni RWGS."

I risultati acquisiti sulla faccetta Cu attiva per la catalisi interfacciale ZnO-Cu per CO₂ idrogenazione a metanolo e le reazioni RWGS non solo approfondiscono la comprensione fondamentale della sensibilità strutturale della catalisi interfacciale ZnO-Cu, ma suggeriscono anche l'ingegneria sfaccettata {110} delle nanoparticelle di Cu con superfici di Cu nude esposte ridotte al minimo in catalizzatori a base di Cu-ZnO come strategia promettente per fabbricare un catalizzatore altamente attivo e selettivo per la CO₂ idrogenazione a metanolo a basse temperature.

Dal punto di vista cinetico, la reazione di sintesi del metanolo all'interfaccia ZnO-Cu{110} con un E_a molto basso di circa 25,3 kJ/mol procede facilmente a basse temperature mentre la reazione RWGS con una superficie ad alta barriera non avviene termodinamicamente, una bassa temperatura di reazione favorisce la reazione di sintesi esotermica del metanolo ma non la reazione endotermica RWGS.

Ulteriori informazioni: Wei Xiong et al, Strutture di rame attive nella catalisi interfacciale ZnO–Cu:idrogenazione della CO2 in metanolo e reazioni inverse di spostamento acqua-gas, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7

Fornito da Science China Press