Understanding Copper–Zinc Synergy for Carbon Dioxide Hydrogenation

Descripción del proyecto

La comprensión de las nanointeracciones podría impulsar la producción optimizada de metanol a partir de CO2

El uso de dióxido de carbono (CO2) para producir otros compuestos químicos y combustibles está ganando cada vez más popularidad como método complementario a las estrategias de captura, secuestro y almacenamiento de carbono para reducir el CO2 atmosférico. La hidrogenación directa del CO2 a metanol produce un combustible con una densidad energética relativamente alta como alternativa a los combustibles fósiles, lo que brinda un beneficio doble. La mejor manera de lograrlo actualmente consiste en emplear un catalizador multimetálico que combina nanoparticulas de cobre (Cu) y óxido de cinc (ZnO) con un soporte de óxido de aluminio. Con todo, todavía se desconocen los mecanismos reales que rigen la relación entre el Cu como centro activo y el Zn como promotor de reacción. El proyecto financiado con fondos europeos CuZnSyn estudia las secuencias de unión, activación y reacción a lo largo de la ruta de hidrogenación del CO2 para favorecer la optimización del catalizador y mejorar la producción de metanol.

Objetivo

Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas that is significantly contributing to climate change. In tandem with advances in sequestering carbon, beneficial uses for CO2 are of high societal importance for developing a sustainable future. One attractive use of CO2 is in its conversion to energy dense fuels (green energy vectors). One such fuel is methanol, made from CO2 via hydrogenation in conjunction with a multimetallic catalyst. The current best industrial (heterogeneous) catalyst incorporates copper and zinc-oxide nanoparticles with an alumina support. A special synergy is observed between the copper (active site) and zinc (reaction promoter), but these species and their connection is poorly defined and remains debated.

This project aims to isolate proximal copper and zinc centres, the fundamental building block for the construction of critical copper–zinc interfaces, within a well-defined, and highly tuneable ligand framework. Once isolated, the binding, activation and interconversion of key intermediates along the CO2 hydrogenation pathway will be meticulously analysed.

Work package 1 involves the synthesis and characterisation of a series of 12 ligands that encompass a range of stereo-electronic profiles, and subsequent isolation of CuZn complexes using these ligands. Work package 2 will use the complexes to study the activation and interconversion of key intermediates along the CO2 hydrogenation pathway to gain mechanistic understanding. Finally, work package 3 will test the most active complexes as catalysts for the direct hydrogenation of CO2 to methanol.

The combination of my skills (multimetallic systems) and the host groups (mechanistic studies) make achieving the project aims realistic. The knowledge harnessed from gaining deep mechanistic understanding of the synergy between copper and zinc during CO2 hydrogenation will be invaluable in developing the next generation of catalysts for methanol production, adding value to a deleterious waste streams.