Risolto un problema legato alla CO2 che durava da decenni e triplicando la produzione di carburante.

La conversione dell’anidride carbonica (CO₂ ₎ in metanolo è ampiamente considerata un metodo promettente per il riciclo delle risorse di carbonio. Tuttavia, gli scienziati si trovano da tempo ad affrontare una difficile sfida nel tentativo di migliorare il processo.

Dal punto di vista termodinamico, le basse temperature favoriscono la reazione di idrogenazione della CO₂ _a metanolo, mentre le temperature elevate tendono a innescare la reazione laterale endotermica inversa di spostamento del gas d’acqua, portando a un compromesso attività-selettività per i catalizzatori tradizionali a base di Cu. Bilanciare i vincoli termodinamici con i requisiti cinetici è quindi fondamentale per una sintesi efficiente del metanolo. Questo dilemma deriva dal comportamento catalitico intrinseco dell’attivazione della CO₂ _, seguita dall’indesiderata scissione del legame C-O sui siti attivi di Cu, che produce principalmente CO anziché metanolo. In questo lavoro, introduciamo una nuova strategia di disaccoppiamento spaziale tramite una tecnica di sputtering e un’ingegneria di superficie guidata da una forte interazione metallo-supporto (SMSI). La migrazione di ZnO _x indotta da SMSI altera la chimica superficiale dei catalizzatori a base di Cu, trasferendo l’adsorbimento di CO₂ _dai siti di Cu a quelli di ZrO₂ _mantenendo l’attivazione di H₂ _su Cu. A differenza della progettazione convenzionale dei catalizzatori focalizzata su siti attivi a componente singolo, questo approccio crea un sistema catalitico a doppio sito che integra la capacità di sintesi selettiva del metanolo di ZrO₂. ₂ con l’efficiente dissociazione dell’H₂ _del Cu. Sopprime efficacemente la formazione del sottoprodotto CO termodinamicamente favorito senza sacrificare l’attività, ottenendo così una resa di metanolo a lungo ricercata. La personalizzazione dei siti attivi per CO₂ _e H₂ _viene condotta per far luce sulla relazione struttura-attività nel sistema ternario Cu-Zn-Zr ad alte temperature. Questo lavoro non solo dimostra la fattibilità dell’utilizzo del disaccoppiamento spaziale dei siti per risolvere i compromessi catalitici, ma apre anche una nuova classe di materiali e paradigmi di progettazione per la sintesi sostenibile di metanolo e la produzione di combustibili a impatto zero sul carbonio.

Punti salienti

•Il compromesso tra attività e selettività viene superato nella reazione di idrogenazione della CO₂ _a metanolo.

•Su catalizzatori a base di rame si ottiene una selettività eccezionale del 92% per il metanolo a 300 °C.

•Una forte interazione metallo-supporto può indurre un adsorbimento disaccoppiato su siti separati

•L’attivazione di H₂ _e CO₂ _su siti doppi favorisce la sintesi del metanolo attraverso la via del formiato.

Riepilogo

I catalizzatori a base di Cu per l’idrogenazione della CO₂ _mostrano prestazioni eccezionali, ma spesso presentano un compromesso tra attività e selettività. In questo lavoro, abbiamo introdotto nanoparticelle di Cu su ossidi di ZnZr tramite un metodo di sputtering, inducendo la migrazione di ZnO sulle superfici di Cu attraverso una forte interazione metallo-supporto. Ciò aumenta la conversione della CO₂ _di 5 volte rispetto ai catalizzatori a base di ossido di ZnZr e raggiunge una selettività del metanolo del 92%, superando significativamente il CuZnAl commerciale (11%) a 300 °C, con una resa spazio-temporale di metanolo di 1,2 g⸱g _cat. ⁻¹ ⸱H ⁻¹ La caratterizzazione rivela che la copertura sopprime l’attivazione della CO₂ _sui siti di Cu e la rottura del legame C-O prima dell’idrogenazione, riducendo così la produzione di CO. La CO₂ _si adsorbe preferenzialmente sui siti di ZrO₂ _con entrambi gli atomi di O, seguendo un percorso di formiato, in cui l’idrogeno attivato dai siti di Cu attacca il carbonio senza rompere i legami O-C-O. Il disaccoppiamento dei siti di attivazione indirizza il percorso di idrogenazione verso il metanolo rispetto alla CO, anche ad alte temperature. Questa disposizione spaziale dei siti catalitici fornisce informazioni chiave per la progettazione di catalizzatori ad alte prestazioni, indebolendo le funzioni indesiderate.

Abstract grafico:

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