Exploring synergistic interactions in copper-gallium oxide-zirconium oxide catalysts for CO2 hydrogenation to methanol

Abstract

The development of technologies for capturing, storing, and converting carbon dioxide to chemicals and fuels is critical for addressing issues arising from global climate change. The reduction of CO2 to chemicals such as methanol is attractive since it currently serves as a bulk platform chemical and an energy carrier. Industrially, methanol is produced from syngas mixtures (CO2/CO/H2) over Cu/ZnO/Al2O3 catalysts at elevated pressures and temperatures. However, Cu/ZnO/Al2O3 has shown limited productivity in the absence of CO and low stability because of catalyst sintering. In this work, the performance of copper/gallium oxide/zirconium oxide catalysts with varying Cu/Ga/Zr ratios was evaluated in the hydrogenation of CO2 to methanol at 240-300°C and 500 psi. This catalyst exhibited exceptional methanol productivities of >0.5 gMeOH/gcat/h under optimized reaction conditions and time-on-stream stability within a 24 h period. Catalyst characterization (hydrogen temperature-programmed reduction (H2-TPR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM), N2O chemisorption), and kinetic studies were combined to determine the nature of the active sites and the reaction pathways by which copper- gallium oxide- zirconium oxide systems hydrogenate CO2 to methanol.

El desarrollo de tecnologías para la captura, almacenamiento y conversión del dióxido de carbono en productos químicos y combustibles es fundamental para abordar los problemas que surgen del cambio climático global. La reducción de CO2 a productos químicos como el metanol es atractiva, ya que actualmente sirve como un producto de materia prima en la industria química y como generador de energía. Industrialmente, el metanol se produce a partir de mezclas de gases (CO2/CO/H2) sobre catalizadores de Cu/ZnO/Al2O3 a presiones y temperaturas elevadas. Sin embargo, Cu/ZnO/Al2O3 ha mostrado una productividad limitada en ausencia de CO y baja estabilidad debido a la sinterización del catalizador. En este proyecto se evaluó el desempeño de catalizadores de cobre/óxido de galio/óxido de circonio con composiciones variables de Cu/Ga/Zr en la hidrogenación de CO2 a metanol a 240-300°C y 500 psi. Este catalizador exhibió rendimientos de metanol excepcionales de >0,5 gMeOH/gcat/h en condiciones óptimas de reacción y estabilidad durante un período de 24 horas. La caracterización del catalizador (reducción programada de temperatura de hidrógeno (H2-TPR), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM), quimisorción de N2O) y estudios cinéticos se combinan para determinar la naturaleza de los sitios activos y el mecanismo de reacción de hidrogenación de CO2 a metanol en los sistemas de cobre- óxido de galio- óxido de circonio.