Published September 15, 2022 | Version v1
Publication Open

The role of Cu1–O3 species in single-atom Cu/ZrO2 catalyst for CO2 hydrogenation

  • 1. Fuzhou University
  • 2. Shanghai Institute of Organic Chemistry
  • 3. Chinese Academy of Sciences
  • 4. Institute of Coal Chemistry
  • 5. Dalian National Laboratory for Clean Energy
  • 6. Dalian Institute of Chemical Physics

Description

Copper-based catalysts for the hydrogenation of CO2 to methanol have attracted much interest. The complex nature of these catalysts, however, renders the elucidation of their structure–activity properties difficult. Here we report a copper-based catalyst with isolated active copper sites for the hydrogenation of CO2 to methanol. It is revealed that the single-atom Cu–Zr catalyst with Cu1–O3 units contributes solely to methanol synthesis around 180 °C, while the presence of small copper clusters or nanoparticles with Cu–Cu structural patterns are responsible for forming the CO by-product. Furthermore, the gradual migration of Cu1–O3 units with a quasiplanar structure to the catalyst surface is observed during the catalytic process and accelerates CO2 hydrogenation. The highly active, isolated copper sites and the distinguishable structural pattern identified here extend the horizon of single-atom catalysts for applications in thermal catalytic CO2 hydrogenation and could guide the further design of high-performance copper-based catalysts to meet industrial demand. Copper-based catalysts are traditionally very effective for the hydrogenation of CO2 to methanol, although control over the active site has remained elusive. Here, the authors design a Cu1/ZrO2 single-atom catalyst featuring a Cu1–O3 site responsible for a remarkable performance at 180 °C.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

جذبت المحفزات القائمة على النحاس لهدرجة ثاني أكسيد الكربون إلى الميثانول الكثير من الاهتمام. ومع ذلك، فإن الطبيعة المعقدة لهذه المحفزات تجعل توضيح خصائص نشاط بنيتها أمرًا صعبًا. نبلغ هنا عن محفز قائم على النحاس مع مواقع نحاسية نشطة معزولة لهدرجة ثاني أكسيد الكربون إلى الميثانول. تم الكشف عن أن محفز Cu - Zr أحادي الذرة مع وحدات Cu1 - O3 يساهم فقط في تخليق الميثانول حوالي 180 درجة مئوية، في حين أن وجود مجموعات نحاسية صغيرة أو جسيمات نانوية مع أنماط هيكلية Cu - Cu هي المسؤولة عن تشكيل المنتج الثانوي لثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، لوحظ الانتقال التدريجي لوحدات Cu1 - O3 ذات البنية شبه المستوية إلى سطح المحفز أثناء العملية الحفازة وتسريع هدرجة ثاني أكسيد الكربون. تعمل المواقع النحاسية المعزولة عالية النشاط والنمط الهيكلي المميز المحدد هنا على توسيع أفق المحفزات أحادية الذرة للتطبيقات في هدرجة ثاني أكسيد الكربون التحفيزية الحرارية ويمكن أن توجه التصميم الإضافي للمحفزات عالية الأداء القائمة على النحاس لتلبية الطلب الصناعي. تعتبر المحفزات القائمة على النحاس تقليديا فعالة جدا لهدرجة ثاني أكسيد الكربون إلى الميثانول، على الرغم من أن السيطرة على الموقع النشط ظلت بعيدة المنال. هنا، يصمم المؤلفون محفزًا أحادي الذرة Cu1/ZrO2 يتميز بموقع Cu1 - O3 مسؤول عن أداء رائع عند 180 درجة مئوية.

Translated Description (French)

Les catalyseurs à base de cuivre pour l'hydrogénation du CO2 en méthanol ont suscité beaucoup d'intérêt. La nature complexe de ces catalyseurs rend cependant difficile l'élucidation de leurs propriétés structure-activité. Nous rapportons ici un catalyseur à base de cuivre avec des sites de cuivre actifs isolés pour l'hydrogénation du CO2 en méthanol. Il est révélé que le catalyseur Cu–Zr à atome unique avec des unités Cu1-O3 contribue uniquement à la synthèse du méthanol autour de 180 °C, tandis que la présence de petits amas de cuivre ou de nanoparticules avec des motifs structuraux Cu–Cu sont responsables de la formation du sous-produit CO. En outre, la migration progressive des unités Cu1-O3 à structure quasi plane vers la surface du catalyseur est observée pendant le processus catalytique et accélère l'hydrogénation du CO2. Les sites de cuivre isolés hautement actifs et le motif structurel distinctif identifié ici étendent l'horizon des catalyseurs à atome unique pour des applications dans l'hydrogénation catalytique thermique du CO2 et pourraient guider la conception ultérieure de catalyseurs à base de cuivre haute performance pour répondre à la demande industrielle. Les catalyseurs à base de cuivre sont traditionnellement très efficaces pour l'hydrogénation du CO2 en méthanol, bien que le contrôle du site actif soit resté insaisissable. Ici, les auteurs conçoivent un catalyseur à atome unique Cu1/ZrO2 comportant un site Cu1-O3 responsable d'une performance remarquable à 180 °C.

Translated Description (Spanish)

Los catalizadores a base de cobre para la hidrogenación de CO2 a metanol han atraído mucho interés. Sin embargo, la naturaleza compleja de estos catalizadores dificulta la elucidación de sus propiedades de estructura-actividad. Aquí presentamos un catalizador a base de cobre con sitios de cobre activos aislados para la hidrogenación de CO2 a metanol. Se revela que el catalizador de Cu–Zr de un solo átomo con unidades de Cu1-O3 contribuye únicamente a la síntesis de metanol alrededor de 180 °C, mientras que la presencia de pequeños clústeres de cobre o nanopartículas con patrones estructurales de Cu–Cu son responsables de formar el subproducto de CO. Además, la migración gradual de unidades de Cu1-O3 con una estructura cuasi plana a la superficie del catalizador se observa durante el proceso catalítico y acelera la hidrogenación de CO2. Los sitios de cobre aislados y altamente activos y el patrón estructural distinguible identificado aquí amplían el horizonte de los catalizadores de un solo átomo para aplicaciones en la hidrogenación térmica catalítica de CO2 y podrían guiar el diseño adicional de catalizadores a base de cobre de alto rendimiento para satisfacer la demanda industrial. Los catalizadores a base de cobre son tradicionalmente muy efectivos para la hidrogenación de CO2 a metanol, aunque el control sobre el sitio activo ha seguido siendo difícil de alcanzar. Aquí, los autores diseñan un catalizador de un solo átomo de Cu1/ZrO2 con un sitio de Cu1-O3 responsable de un rendimiento notable a 180 °C.

Files

latest.pdf.pdf

Files (1.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:98a26e3046990d53d2182a4e081d58d5
1.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دور أنواع Cu1 - O3 في محفز Cu/ZrO2 أحادي الذرة لهدرجة ثاني أكسيد الكربون
Translated title (French)
Le rôle des espèces Cu1–O3 dans le catalyseur Cu/ZrO2 à atome unique pour l'hydrogénation du CO2
Translated title (Spanish)
El papel de las especies de Cu1–O3 en el catalizador de Cu/ZrO2 de un solo átomo para la hidrogenación de CO2

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4295951220
DOI
10.1038/s41929-022-00840-0

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1743869147
  • https://openalex.org/W1965792962
  • https://openalex.org/W1970127494
  • https://openalex.org/W1972740152
  • https://openalex.org/W1979544533
  • https://openalex.org/W1981872875
  • https://openalex.org/W1985750401
  • https://openalex.org/W1991692033
  • https://openalex.org/W2004456194
  • https://openalex.org/W2011377242
  • https://openalex.org/W2011555230
  • https://openalex.org/W2022973987
  • https://openalex.org/W2025444507
  • https://openalex.org/W2032610705
  • https://openalex.org/W2049079467
  • https://openalex.org/W2055100433
  • https://openalex.org/W2058054650
  • https://openalex.org/W2065186997
  • https://openalex.org/W2070227796
  • https://openalex.org/W2083222334
  • https://openalex.org/W2090629224
  • https://openalex.org/W2107491558
  • https://openalex.org/W2134716155
  • https://openalex.org/W2254100412
  • https://openalex.org/W2283009411
  • https://openalex.org/W2300085411
  • https://openalex.org/W2315767686
  • https://openalex.org/W2324048221
  • https://openalex.org/W2326089492
  • https://openalex.org/W2326809340
  • https://openalex.org/W2606906262
  • https://openalex.org/W2625247039
  • https://openalex.org/W2728980734
  • https://openalex.org/W2762487790
  • https://openalex.org/W2781587340
  • https://openalex.org/W2788637447
  • https://openalex.org/W2789772982
  • https://openalex.org/W2883390734
  • https://openalex.org/W2889266342
  • https://openalex.org/W2890322428
  • https://openalex.org/W2900501325
  • https://openalex.org/W2902119523
  • https://openalex.org/W2922173786
  • https://openalex.org/W2939504155
  • https://openalex.org/W2942371531
  • https://openalex.org/W2950813476
  • https://openalex.org/W2962783981
  • https://openalex.org/W2969544119
  • https://openalex.org/W2978510442
  • https://openalex.org/W2978756189
  • https://openalex.org/W2979291573
  • https://openalex.org/W2986656531
  • https://openalex.org/W2987303836
  • https://openalex.org/W2989635703
  • https://openalex.org/W3006891031
  • https://openalex.org/W3009730628
  • https://openalex.org/W3011722898
  • https://openalex.org/W3034051096
  • https://openalex.org/W3037628611
  • https://openalex.org/W3042678571
  • https://openalex.org/W3048286187
  • https://openalex.org/W3082806423
  • https://openalex.org/W3085524505
  • https://openalex.org/W3087691796
  • https://openalex.org/W3094911915
  • https://openalex.org/W3097292997
  • https://openalex.org/W3098681178
  • https://openalex.org/W3108646962
  • https://openalex.org/W3139004589
  • https://openalex.org/W3176481321
  • https://openalex.org/W3197855596
  • https://openalex.org/W3205649511
  • https://openalex.org/W4214653436
  • https://openalex.org/W4225409700