Eficientes catalizadores de óxido de indio diseñados para la hidrogenación de CO2 a metanol
Una forma prometedora de convertir directamente el CO2 en metanol para aplicaciones industriales
La hidrogenación catalítica de dióxido de carbono (CO2) es un medio ecológico y sostenible de sintetizar productos químicos básicos como el metanol. Este proceso de conversión es clave para realizar la "economía del metanol" o crear "sol líquido", ambos aspectos de la economía circular. Estudios recientes revelaron el potencial de una familia de óxidos metálicos para catalizar esta reacción. Sin embargo, seguir optimizando su rendimiento catalítico para aplicaciones industriales seguía siendo un gran desafío, sobre todo debido a las dificultades relacionadas con el diseño racional y la síntesis controlada de estos catalizadores.
Ilustración esquemática de las vías de hidrogenación de CO2 más favorables en diferentes superficies de óxido de indio cúbico (c-In2O3) y hexagonal (c-In2O3)
SARI
Motivado por tal desafío, un equipo dirigido conjuntamente por los Profs. SUN Yuhan, GAO Peng y LI Shenggang del Instituto de Investigación Avanzada de Shanghai (SARI) de la Academia China de Ciencias, informó sobre un caso exitoso de diseño racional guiado por la teoría de catalizadores de óxido de indio (In2O3) para la hidrogenación de CO2 a metanol con alta actividad y selectividad.
Para diseñar racionalmente los nanocatalizadores basados en In2O3 con un rendimiento favorable de la síntesis de metanol, los investigadores llevaron a cabo extensos cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) para establecer el mecanismo catalítico del catalizador In2O3 durante la hidrogenación de CO2 al metanol y al dióxido de carbono, identificando las vías preferidas. El modelado computacional identificó la raramente estudiada {104} faceta del In2O3 hexagonal como la más favorable para la síntesis de metanol.
Sobre la base de esta predicción teórica, se emplearon entonces varios métodos experimentales para sintetizar catalizadores de In2O3 en diferentes fases con morfologías distintas.
Curiosamente, se confirmó que uno de los cuatro catalizadores de In2O3 sintetizados de esta manera exponía principalmente las facetas teóricamente identificadas {104}. Este catalizador también exhibió el mejor desempeño en términos de actividad y selectividad, confirmando la predicción del DFT. La reacción de síntesis de metanol catalizada por este catalizador es favorable incluso a la muy alta temperatura de 360 °C.
El rendimiento espacio-temporal del metanol alcanzó los 10,9 mmol/g/hora a esta temperatura, lo que superó a todos los catalizadores conocidos anteriormente para esta reacción, incluidos los catalizadores basados en el In2O3 previamente comunicados y los catalizadores conocidos basados en el Cu.
El catalizador In2O3 descubierto en esta investigación es prometedor como una forma de convertir directamente el CO2 en metanol para aplicaciones industriales. Además, el descubrimiento de este catalizador In2O3 promoverá el desarrollo ulterior de catalizadores bifuncionales de óxido/zeolita para la hidrogenación directa de CO2 a varios hidrocarburos C2+ (olefinas inferiores, gasolina, aromáticos, etc.) a través del intermediario del metanol. De igual importancia, este descubrimiento también pone de relieve el papel fundamental de la ciencia de la computación para ayudar a diseñar catalizadores de relevancia industrial.
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