Enhanced Methanol Production over Non-promoted Cu–MgO–Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Materials with Ex-solved 2 nm Cu Particles: Insights from an Operando Spectroscopic Study
Creators
- 1. Instituto de Tecnología Química
- 2. Consejo Superior de Investigaciones Científicas
- 3. Universitat Politècnica de València
- 4. Institute of Physics Rosario
- 5. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 6. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica
Description
Enhanced methanol production is obtained over a non-promoted Cu–MgO–Al2O3 mixed oxide catalyst derived from a Cu–Mg–Al hydrotalcite precursor (HT) containing narrowly distributed small Cu NPs (2 nm). Conversions close to the equilibrium (∼20%) with a methanol selectivity of 67% are achieved at 230 °C, 20 bar, and a space velocity of 571 mL·gcat–1·h–1. Based on operando spectroscopic studies, the striking activity of this Cu-based catalyst is ascribed to the stabilization of Cu+ ions favored under reaction conditions due to lattice reorganization associated with the "HT-memory effect" promoted by water. Temperature-resolved infrared–mass spectrometry experiments have enabled the discernment of monodentate formate species, stabilized on Cu+ as the intermediate in methanol synthesis, in line with the results of density functional theory calculations. These monodentate formate species are much more reactive than bridge formate species, the latter ones behaving as intermediates in methane and CO formation. Moreover, poisoning of the Cu0 surface by strongly adsorbed species behaving as spectators is observed under reaction conditions. This work presents a detailed spectroscopic study highlighting the influence of the reaction pressure on the stabilization of active surface sites, and the possibility of enhancing methanol production on usually less active non-promoted nano-sized copper catalysts, provided that the proper support is selected, allowing the stabilization of doped Cu+. Thus, a methanol formation rate of 2.6 × 10–3 molMeOH·gcat–1·h–1 at 230 °C, 20 bar, and WHSV = 28 500 mL·gcat–1·h–1 is obtained on the Cu–MgO–Al2O3 HT-derived catalyst with 71% methanol selectivity, compared to 2.2 × 10–4 molMeOH·gcat–1·h–1 with 54% methanol selectivity obtained on a reference Cu/(Al2O3/MgO) catalyst not derived from a HT structure.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يتم الحصول على إنتاج الميثانول المحسن عبر محفز أكسيد مختلط Cu - MgO - Al2O3 غير مروج مشتق من سلائف Cu - Mg - Al hydrotalcite (HT) التي تحتوي على NPs صغيرة موزعة بشكل ضيق (2 نانومتر). يتم تحقيق التحويلات القريبة من التوازن (20 ٪) مع انتقائية الميثانول بنسبة 67 ٪ عند 230 درجة مئوية، 20 بار، وسرعة فضائية تبلغ 571 مل· gcat -1 ·h -1. بناءً على الدراسات الطيفية العملية، يُعزى النشاط اللافت لهذا المحفز القائم على النحاس إلى استقرار أيونات النحاس+ المفضلة في ظل ظروف التفاعل بسبب إعادة تنظيم الشبكة المرتبطة بـ "تأثير ذاكرة HT" الذي يعززه الماء. مكنت تجارب قياس الطيف الكتلي بالأشعة تحت الحمراء المتحللة بدرجة الحرارة من تمييز أنواع الفورمات الأحادية، واستقرت على Cu+ كوسيط في تخليق الميثانول، بما يتماشى مع نتائج حسابات نظرية الكثافة الوظيفية. هذه الأنواع أحادية الفورمات هي أكثر تفاعلاً بكثير من أنواع فورمات الجسر، والأخيرة تتصرف كوسيط في تكوين الميثان وأول أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، لوحظ تسمم سطح Cu0 من خلال الأنواع الممتزة بشدة التي تتصرف كمتفرجين في ظل ظروف التفاعل. يقدم هذا العمل دراسة طيفية مفصلة تسلط الضوء على تأثير ضغط التفاعل على استقرار المواقع السطحية النشطة، وإمكانية تعزيز إنتاج الميثانول على محفزات النحاس النانوية غير المعززة الأقل نشاطًا عادة، بشرط اختيار الدعم المناسب، مما يسمح بتثبيت Cu+ المنشط. وبالتالي، يتم الحصول على معدل تكوين الميثانول 2.6 × 10–3 مولميوه · gcat -1 ·h -1 عند 230 درجة مئوية، 20 بار، و WHSV = 28 500 مل· gcat -1 ·h -1 على المحفز المشتق من Cu - MgO - Al2O3 HT مع انتقائية الميثانول بنسبة 71 ٪، مقارنة بـ 2.2 × 10–4 مولميوه ·gcat -1 ·h -1 مع انتقائية الميثانول بنسبة 54 ٪ التي تم الحصول عليها على محفز مرجعي Cu/(Al2O3/MgO) غير مشتق من بنية HT.Translated Description (French)
La production améliorée de méthanol est obtenue par rapport à un catalyseur d'oxyde mixte Cu-MgO-Al2O3 non promu dérivé d'un précurseur d'hydrotalcite Cu-Mg-Al (HT) contenant de petits NP Cu étroitement distribués (2 nm). Des conversions proches de l'équilibre (∼20%) avec une sélectivité en méthanol de 67% sont obtenues à 230 °C, 20 bars et une vitesse spatiale de 571 mL·gcat–1·h–1. Sur la base des études spectroscopiques operando, l'activité marquante de ce catalyseur à base de Cu est attribuée à la stabilisation des ions Cu+ favorisés dans les conditions réactionnelles en raison de la réorganisation du réseau associée à « l'effet mémoire HT » favorisé par l'eau. Les expériences de spectrométrie de masse infrarouge résolue en température ont permis de discerner des espèces formiates monodentées, stabilisées sur Cu+ comme intermédiaire dans la synthèse du méthanol, conformément aux résultats des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité. Ces espèces de formiate monodenté sont beaucoup plus réactives que les espèces de formiate de pont, ces dernières se comportant comme des intermédiaires dans la formation du méthane et du CO. De plus, l'empoisonnement de la surface du Cu0 par des espèces fortement adsorbées se comportant comme des spectateurs est observé dans des conditions de réaction. Ce travail présente une étude spectroscopique détaillée mettant en évidence l'influence de la pression de réaction sur la stabilisation des sites de surface actifs, et la possibilité d'améliorer la production de méthanol sur des catalyseurs de cuivre de taille nanométrique non promus généralement moins actifs, à condition que le support approprié soit sélectionné, permettant la stabilisation du Cu+ dopé. Ainsi, un taux de formation de méthanol de 2,6 × 10–3 molMeOH ·gcat–1·h–1 à 230 °C, 20 bars et WHSV = 28 500 mL·gcat–1·h–1 est obtenu sur le catalyseur dérivé de Cu-MgO-Al2O3 HT avec une sélectivité de méthanol de 71 %, par rapport à 2,2 × 10–4 molMeOH ·gcat–1·h–1 avec une sélectivité de méthanol de 54 % obtenue sur un catalyseur de référence Cu/(Al2O3/MgO) non dérivé d'une structure HT.Translated Description (Spanish)
Se obtiene una mayor producción de metanol sobre un catalizador de óxido mixto de Cu-MgO-Al2O3 no promovido derivado de un precursor de hidrotalcita (HT) de Cu-Mg-Al que contiene pequeñas NP de Cu estrechamente distribuidas (2 nm). Las conversiones cercanas al equilibrio (~20%) con una selectividad de metanol del 67% se logran a 230 °C, 20 bar y una velocidad espacial de 571 ml·gcat–1·h–1. Con base en estudios espectroscópicos operando, la actividad llamativa de este catalizador a base de Cu se atribuye a la estabilización de iones Cu+ favorecidos en condiciones de reacción debido a la reorganización de la red asociada con el "efecto de memoria HT" promovido por el agua. Los experimentos de espectrometría de masas infrarrojas resueltas por temperatura han permitido el discernimiento de especies de formiato monodentadas, estabilizadas en Cu+ como producto intermedio en la síntesis de metanol, en línea con los resultados de los cálculos de la teoría funcional de densidad. Estas especies de formiato monodentado son mucho más reactivas que las especies de formiato puente, estas últimas se comportan como intermedias en la formación de metano y CO. Además, se observa envenenamiento de la superficie de Cu0 por especies fuertemente adsorbidas que se comportan como espectadores en condiciones de reacción. Este trabajo presenta un estudio espectroscópico detallado que destaca la influencia de la presión de reacción en la estabilización de sitios de superficie activos y la posibilidad de mejorar la producción de metanol en catalizadores de cobre de tamaño nanométrico no promovidos, generalmente menos activos, siempre que se seleccione el soporte adecuado, permitiendo la estabilización de Cu+ dopado. Por lo tanto, se obtiene una velocidad de formación de metanol de 2.6 × 10–3 molMeOH ·gcat–1·h–1 a 230 °C, 20 bar y WHSV = 28 500 mL·gcat–1·h–1 en el catalizador derivado de Cu-MgO-Al2O3 HT con 71% de selectividad de metanol, en comparación con 2.2 × 10–4 molMeOH ·gcat–1·h–1 con 54% de selectividad de metanol obtenido en un catalizador de referencia de Cu/(Al2O3/MgO) no derivado de una estructura HT.Files
Enhanced_Methanol.pdf.pdf
Files
(2.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:035e86c0ee7b3da01e272e6603197975
|
2.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز إنتاج الميثانول على المواد غير المروجة Cu - MgO - Al<sub> 2</sub>O<sub>3</sub> مع جزيئات النحاس المذابة سابقًا 2 نانومتر: رؤى من دراسة طيفية للتشغيل
- Translated title (French)
- Production améliorée de méthanol par rapport aux matériaux Cu–MgO–Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> non promus avec des particules de Cu de 2 nm résolues à l'Ex : Aperçu d'une étude spectroscopique Operando
- Translated title (Spanish)
- Producción mejorada de metanol en comparación con materiales<sub></sub> de Cu-MgO-Al2O3<sub></sub> no promocionados con partículas de Cu de 2 nm resueltas previamente: conocimientos de un estudio espectroscópico de Operando
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4220732739
- DOI
- 10.1021/acscatal.1c06044
References
- https://openalex.org/W1870760280
- https://openalex.org/W1965410259
- https://openalex.org/W1966047690
- https://openalex.org/W1968767938
- https://openalex.org/W1970077090
- https://openalex.org/W1972635053
- https://openalex.org/W1993618907
- https://openalex.org/W1993765807
- https://openalex.org/W1994138637
- https://openalex.org/W1996245510
- https://openalex.org/W2007897444
- https://openalex.org/W2009767798
- https://openalex.org/W2016217378
- https://openalex.org/W2018720887
- https://openalex.org/W2019497094
- https://openalex.org/W2026852653
- https://openalex.org/W2028398873
- https://openalex.org/W2034342333
- https://openalex.org/W2056074178
- https://openalex.org/W2065813955
- https://openalex.org/W2073472972
- https://openalex.org/W2074266216
- https://openalex.org/W2079059880
- https://openalex.org/W2083252410
- https://openalex.org/W2083949185
- https://openalex.org/W2088813666
- https://openalex.org/W2089124524
- https://openalex.org/W2098480075
- https://openalex.org/W2141312310
- https://openalex.org/W2145662064
- https://openalex.org/W2145708488
- https://openalex.org/W2154304209
- https://openalex.org/W2275257252
- https://openalex.org/W2281722657
- https://openalex.org/W2285964901
- https://openalex.org/W2322413499
- https://openalex.org/W2417359757
- https://openalex.org/W2524707451
- https://openalex.org/W2528194497
- https://openalex.org/W2724520282
- https://openalex.org/W2737507080
- https://openalex.org/W2749136943
- https://openalex.org/W2802791016
- https://openalex.org/W2809743693
- https://openalex.org/W2878663886
- https://openalex.org/W2884737359
- https://openalex.org/W2886869886
- https://openalex.org/W2895237902
- https://openalex.org/W2902766930
- https://openalex.org/W2904652343
- https://openalex.org/W2905940438
- https://openalex.org/W2910451201
- https://openalex.org/W2912130460
- https://openalex.org/W2921173336
- https://openalex.org/W2931660935
- https://openalex.org/W2951894306
- https://openalex.org/W2988232688
- https://openalex.org/W2995656838
- https://openalex.org/W3007452568
- https://openalex.org/W3014176908
- https://openalex.org/W3025736759
- https://openalex.org/W3033136324
- https://openalex.org/W3081930609
- https://openalex.org/W308548856
- https://openalex.org/W3094429514
- https://openalex.org/W3108646962
- https://openalex.org/W3112502862
- https://openalex.org/W3117531394
- https://openalex.org/W3205850277
- https://openalex.org/W417116938
- https://openalex.org/W4293225844