Pesquisa recente publicada na revista Science China Chemistry explora estruturas ativas de cobre na catálise interfacial ZnO-Cu. Muitos experimentos, incluindo preparação de catalisador, caracterizações estruturais, avaliação de desempenho catalítico e cálculos de DFT, foram realizados.



Usando vários nanocristais de Cu (NCs) com facetas de Cu bem definidas e correspondentes catalisadores inversos de ZnO/Cu NCs, a faceta Cu{110} foi demonstrada como a faceta mais ativa para a catálise interfacial ZnO-Cu em CO₂ hidrogenação em metanol com energia de ativação aparente tão baixa quanto 25,3±2,6 kJ/mol, enquanto a faceta Cu é a faceta mais ativa tanto para a catálise interfacial ZnO-Cu quanto para a catálise Cu na reação RWGS.

Enquanto isso, embora a interface ZnO-Cu seja mais ativa na catalisação da reação RWGS do que a superfície de Cu, a reação RWGS ocorre principalmente na superfície nua de Cu dos catalisadores inversos ZnO/Cu, em vez de na interface ZnO-Cu, sob o CO₂ hidrogenação para condição de reação de metanol.

O estudo foi liderado pelo Prof. Weixin Huang (Laboratório Principal de Precisão e Química Inteligente, Universidade de Ciência e Tecnologia da China), Prof. Dr. Zongfang Wu (Centro Nacional de Pesquisa de Ciências Físicas de Hefei em Microescala, Universidade de Ciência e Tecnologia da China).

"Nanocristais catalíticos uniformes com estruturas bem definidas demonstraram grande potencial para estudos fundamentais de catálise heterogênea sob condições de trabalho. Catalisadores à base de Cu-ZnO têm sido extensivamente estudados para catalisar CO₂ hidrogenação em metanol de valor agregado, no qual a seletividade do metanol, no entanto, é limitada pela reação RWGS que a acompanha", diz Huang.

"Usando catalisadores modelo baseados em cristal único de Cu, o desempenho catalítico de catalisadores de Cu e ZnO/Cu em ambos CO₂ demonstrou-se que a hidrogenação em metanol e as reações RWGS são sensivelmente dependentes dos planos cristalinos de Cu, mas as taxas de formação de CO medidas foram duas a três ordens de grandeza superiores às correspondentes CH₃ Taxas de formação de OH, em contraste com o desempenho catalítico de catalisadores em pó à base de Cu-ZnO."

"A fim de abordar a controvérsia entre os catalisadores em pó e os catalisadores de modelo de cristal único, conduzimos um estudo combinado de cálculo experimental e teórico de Cu NCs com facetas de Cu bem definidas e correspondentes catalisadores inversos de ZnO/Cu NCs sob condições típicas de CO₂ hidrogenação para reações de metanol e RWGS."

Os resultados adquiridos na faceta Cu ativa para catálise interfacial ZnO-Cu para CO₂ a hidrogenação ao metanol e as reações RWGS não apenas aprofundam a compreensão fundamental da sensibilidade da estrutura da catálise interfacial ZnO-Cu, mas também sugerem a engenharia de facetas {110} de nanopartículas de Cu com superfícies expostas minimizadas de Cu em catalisadores à base de Cu-ZnO como uma estratégia promissora para fabricar um catalisador altamente ativo e seletivo para CO₂ hidrogenação em metanol a baixas temperaturas.

Cineticamente, a reação de síntese de metanol na interface ZnO-Cu{110} com um E_a muito baixo de aproximadamente 25,3 kJ/mol ocorre facilmente em baixas temperaturas, enquanto a reação RWGS com uma superfície de alta barreira não ocorre termodinamicamente, uma baixa temperatura de reação favorece a reação exotérmica de síntese de metanol, mas não a reação endotérmica RWGS.

Mais informações: Wei Xiong et al, Estruturas ativas de cobre na catálise interfacial ZnO-Cu:hidrogenação de CO2 em metanol e reações reversas de deslocamento água-gás, Science China Chemistry (2023). DOI:10.1007/s11426-023-1802-7
Fornecido pela Science China Press