Effiziente Indiumoxid-Katalysatoren für die CO2-Hydrierung zu Methanol
Vielversprechender Weg zur direkten Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol für industrielle Anwendungen
Die katalytische Hydrierung von Kohlendioxid (CO2) ist eine umweltfreundliche und nachhaltige Methode zur Synthese von Grundchemikalien wie Methanol. Dieser Umwandlungsprozess ist der Schlüssel zur Realisierung der "Methanolwirtschaft" oder zur Erzeugung von "flüssigem Sonnenschein", beides Aspekte der Kreislaufwirtschaft. Jüngste Studien haben das Potenzial einer Familie von Metalloxiden zur Katalyse dieser Reaktion aufgezeigt. Die weitere Optimierung ihrer katalytischen Leistung für industrielle Anwendungen blieb jedoch eine große Herausforderung, vor allem wegen der Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem rationalen Design und der kontrollierten Synthese dieser Katalysatoren.
Schematische Darstellung der günstigsten CO2-Hydrierungspfade auf verschiedenen kubischen (c-In2O3) und hexagonalen Indiumoxid-Oberflächen (c-In2O3)
SARI
Von einer solchen Herausforderung motiviert, hat ein Team unter der gemeinsamen Leitung von Profs. SUN Yuhan, GAO Peng, und LI Shenggang am Shanghai Advanced Research Institute (SARI) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, einen erfolgreichen Fall von theoriegeleitetem rationalen Design von Indiumoxid (In2O3)-Katalysatoren für die CO2-Hydrierung zu Methanol mit hoher Aktivität und Selektivität.
Um Nanokatalysatoren auf In2O3-Basis mit günstiger Leistung bei der Methanolsynthese rationell zu entwerfen, führten die Forscher umfangreiche Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durch, um den katalytischen Mechanismus des In2O3-Katalysators während der CO2-Hydrierung zu Methanol und Kohlendioxid durch Identifizierung bevorzugter Pfade zu ermitteln. Die rechnerische Modellierung identifizierte die selten untersuchte {104} Facette des hexagonalen In2O3 als die für die Methanolsynthese günstigste.
Auf der Grundlage dieser theoretischen Vorhersage wurden dann mehrere experimentelle Methoden angewandt, um In2O3-Katalysatoren in verschiedenen Phasen mit unterschiedlichen Morphologien zu synthetisieren.
Interessanterweise wurde bestätigt, dass einer der vier auf diese Weise synthetisierten In2O3-Katalysatoren hauptsächlich die theoretisch identifizierten {104} Facetten freilegt. Dieser Katalysator zeigte auch die beste Leistung in Bezug auf Aktivität und Selektivität und bestätigte damit die DFT-Vorhersage. Die durch diesen Katalysator katalysierte Methanolsynthesereaktion ist selbst bei der sehr hohen Temperatur von 360°C günstig.
Die Raum-Zeit-Ausbeute von Methanol erreichte bei dieser Temperatur 10,9 mmol/g/Stunde und übertraf damit alle bisher bekannten Katalysatoren für diese Reaktion, einschließlich der bereits früher berichteten Katalysatoren auf In2O3-Basis und der bekannten Katalysatoren auf Cu-Basis.
Der bei dieser Forschung entdeckte In2O3-Katalysator ist vielversprechend als Weg zur direkten Umwandlung von CO2 in Methanol für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus wird die Entdeckung dieses In2O3-Katalysators die weitere Entwicklung von bifunktionellen Oxid/Zeolith-Katalysatoren für die direkte CO2-Hydrierung zu verschiedenen C2+-Kohlenwasserstoffen (niedere Olefine, Benzin, Aromaten usw.) über das Methanol-Zwischenprodukt fördern. Ebenso wichtig ist, dass diese Entdeckung auch die zentrale Rolle der Computerwissenschaft bei der Unterstützung des Entwurfs industriell relevanter Katalysatoren unterstreicht.
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