Hydrogenation of CO2 to Methanol: Importance of Metal-Oxide and Metal-Carbide Interfaces in the Activation of CO2

ACS Catalysis

Volumn 5, Issue 11, 2015, Pages 6696-6706

  Rodriguez, José A ^a   Liu, Ping ^a   Stacchiola, Dario J ^a   Senanayake, Sanjaya D ^a   White, Michael G ^a   Chen, Jingguang G ^a  

^a BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

CO2 activation; CO2 hydrogenation; copper; gold; metal carbides; metal oxides; methanol synthesis; reverse water gas shift reaction

Indexed keywords

BINS; CARBIDES; CATALYST ACTIVITY; CATALYSTS; CHEMICAL ACTIVATION; CHEMICAL SHIFT; COPPER; COPPER OXIDES; ELECTRONIC PROPERTIES; GOLD; HYDROGENATION; METALLIC COMPOUNDS; METALS; METHANOL; SYNTHESIS (CHEMICAL); SYNTHESIS GAS MANUFACTURE; WATER GAS SHIFT;

HYDROCARBON COMPOUNDS; METAL CARBIDES; METAL OXIDES; METAL-CARBIDE INTERFACES; METHANOL SYNTHESIS; REVERSE WATER-GAS SHIFT REACTION; STRONG METAL SUPPORT INTERACTION; THERMO-CHEMICAL STABILITY;

CARBON DIOXIDE;

EID: 84946771656     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acscatal.5b01755     Document Type: Article

References (86)

1. Karl, T. R.; Trenberth, K. E. Science 2003, 302, 1719-1723 10.1126/science.1090228
2. Olah, G. A.; Prakash, G. K. S.; Goeppert, A. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12881-12898 10.1021/ja202642y
3. Ansari, M. B.; Min, B.-H.; Mo, Y.-H.; Park, S.-E. Green Chem. 2011, 13, 1416-1421 10.1039/c0gc00951b
4. Behrens, M.; Studt, F.; Kasatkin, I.; Kühl, S.; Hävecker, M.; Abild-Pedersen, F.; Zander, S.; Girgsdies, F.; Kurr, P.; Kniep, B.-L.; Tovar, M.; Fischer, R. W.; Nørskov, J. K.; Schlögl, R. Science 2012, 336, 893-897 10.1126/science.1219831
5. Kondratenko, E. V.; Mul, G.; Baltrusaitis, J.; Larrazabal, G. O.; Perez-Ramirez, J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3112-3115 10.1039/c3ee41272e
6. Carbon Dioxide as Chemical Feedstock; Aresta, M., Ed.; Wiley-VCH: New York, 2010.
7. Jadhav, S. G.; Vaidya, P. D.; Bhanage, B. M.; Joshi, J. B. Chem. Eng. Res. Des. 2014, 92, 2557-2567 10.1016/j.cherd.2014.03.005
8. Olah, G. A.; Goeppert, A.; Surya Prakash, G. K. J. Org. Chem. 2009, 74, 487-498 10.1021/jo801260f
9. Miguel, C. V.; Soria, M. A.; Mendes, A.; Madeira, L. M. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2015, 22, 1-8 10.1016/j.jngse.2014.11.010
10. 2 Utilization 2014, 6, 34-39 10.1016/j.jcou.2014.03.002
11. Graciani, J.; Mudiyanselage, K.; Xu, F.; Baber, A. E.; Evans, J.; Senanayake, S. D.; Stacchiola, D. J.; Liu, P.; Hrbek, J.; Sanz, J. F.; Rodriguez, J. A. Science 2014, 345, 546-551 10.1126/science.1253057
12. Lunkenbein, T.; Schumann, J.; Behrens, M.; Schlögl, R.; Willinger, M. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 4544-4548 10.1002/anie.201411581
13. Vidal, A. B.; Feria, L.; Evans, J.; Takahashi, Y.; Liu, P.; Nakamura, K.; Illas, F.; Rodriguez, J. A. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2275 10.1021/jz300989e
14. Li, C.-S.; Melaet, G.; Ralston, W. T.; An, K.; Brooks, C.; Ye, Y.; Liu, Y.-S.; Zhu, J.; Guo, J.; Alayoglu, S.; Somorjai, G. A. Nat. Commun. 2015, 6, 6538 10.1038/ncomms7538
15. Inui, T.; Hara, H.; Takeguchi, T.; Kim, J. B. Catal. Today 1997, 36, 25-32 10.1016/S0920-5861(96)00192-7
16. Skrzypek, J.; Lachowska, M.; Serafin, D. Chem. Eng. Sci. 1990, 45, 89-96 10.1016/0009-2509(90)87083-5
17. Wu, J. G.; Saito, M.; Takeuchi, M.; Watanabe, T. Appl. Catal., A 2001, 218, 235-240 10.1016/S0926-860X(01)00650-0
18. Studt, F.; Sharafutdinov, I.; Abild-Pedersen, F.; Elkjær, C.; Hummelshøj; Dahl, S.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K. Nat. Chem. 2014, 6, 320-324 10.1038/nchem.1873
19. Yang, Y.; White, M. G.; Liu, P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 248-256 10.1021/jp208448c
20. Kung, H. H. Transition Metal Oxides: Surface Chemistry and Catalysis; Elsevier: New York, 1989.
21. Staudt, T.; Lykhach, Y.; Tsud, N.; Skála, T. S.; Prince, K. C.; Matolín, V. R.; Libuda, J. R. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 8716-8721 10.1021/jp200382y
22. Zhang, Z.; Verykios, X. Catal. Lett. 1996, 38, 175-183 10.1007/BF00806565
23. Park, J. B.; Graciani, J.; Evans, J.; Stacchiola, D.; Ma, S.; Liu, P.; Nambu, A.; Sanz, J. F.; Hrbek, J.; Rodriguez, J. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 4975-4981 10.1073/pnas.0812604106
24. Pacchioni, G.; Freund, H.-J. Chem. Rev. 2013, 113, 4035-4075 10.1021/cr3002017
25. Stacchiola, D.; Senanayake, S.; Liu, P.; Rodriguez, J. A. Chem. Rev. 2013, 113, 4373-4390 10.1021/cr300316v
26. Surnev, S.; Fortunelli, A.; Netzer, F. P. Chem. Rev. 2013, 113, 4314-4372 10.1021/cr300307n
27. Martynova, Y.; Liu, B.-H.; McBriarty, M. E.; Groot, I. M. N.; Bedzyk, M. J.; Shaikhutdinov, S.; Freund, H.-J. J. Catal. 2013, 301, 227-232 10.1016/j.jcat.2013.02.018
28. Park, J. B.; Graciani, J.; Evans, J.; Stacchiola, D.; Senanayake, S. D.; Barrio, L.; Liu, P.; Sanz, J. F.; Hrbek, J.; Rodriguez, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2009, 132, 356-363 10.1021/ja9087677
29. Graciani, J.; Plata, J. J.; Sanz, J. F.; Liu, P.; Rodriguez, J. A. J. Chem. Phys. 2010, 132, 104703 10.1063/1.3337918
30. Mudiyanselage, K.; Senanayake, S. D.; Feria, L.; Kundu, S.; Baber, A.; Graciani, J.; Vidal, A. B.; Agnoli, S.; Evans, J. E.; Chang, R.; Axnanda, S.; Liu, Z.; Sanz, J. F.; Liu, P.; Rodriguez, J. A.; Stacchiola, D. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 5101-5105 10.1002/anie.201210077
31. Wrobel, R.; Suchorski, Y.; Becker, S.; Weiss, H. Surf. Sci. 2008, 602, 436-442 10.1016/j.susc.2007.10.044
32. Campbell, C. T. Surf. Sci. Rep. 1997, 27, 1-111 10.1016/S0167-5729(96)00011-8
33. Campbell, C. T. Nat. Chem. 2012, 4, 597-598 10.1038/nchem.1412
34. Solymosi, F. J. Catal. 1985, 94, 581-585 10.1016/0021-9517(85)90226-X
35. Bruix, A.; Rodriguez, J. A.; Ramírez, P. J.; Senanayake, S. D.; Evans, J.; Park, J. B.; Stacchiola, D.; Liu, P.; Hrbek, J.; Illas, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8968-8974 10.1021/ja302070k
36. Acerbi, N.; Tsang, S. C. E.; Jones, G.; Golunski, S.; Collier, P. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7737-7741 10.1002/anie.201300130
37. Rodriguez, J. A.; Illas, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 427-438 10.1039/C1CP22738F
38. Schweitzer, N. M.; Schaidle, J. A.; Ezekoye, O. K.; Pan, X.; Linic, S.; Thompson, L. T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 2378-2381 10.1021/ja110705a
39. Hwu, H.; Chen, J. G. Chem. Rev. 2005, 105, 185-202 10.1021/cr0204606
40. Porosoff, M. D.; Yang, X.; Boscoboinik, J. A.; Chen, J. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 6705-6709 10.1002/anie.201404109
41. Dubois, J.-L.; Sayama, K.; Arakawa, H. Chem. Lett. 1992, 5-8 10.1246/cl.1992.5
42. Wu, S.-Y.; Ho, J.-J. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13202-13209 10.1021/jp302901r
43. Rodriguez, J. A.; Evans, J.; Feria, L.; Vidal, A. B.; Liu, P.; Nakamura, K.; Illas, F. J. Catal. 2013, 307, 162-163 10.1016/j.jcat.2013.07.023
44. Rasmussen, P. B.; Holmblad, P. M.; Askgaard, T.; Ovesen, C. V.; Stoltze, P.; Nørskov, J. K.; Chorkendorff, I. Catal. Lett. 1994, 26, 373-381 10.1007/BF00810611
45. Rasmussen, P. B.; Kazuta, M.; Chorkendorff, I. Surf. Sci. 1994, 318, 267 10.1016/0039-6028(94)90101-5
46. Yoshihara, J.; Campbell, C. T. J. Catal. 1996, 161, 776 10.1006/jcat.1996.0240
47. Yang, Y.; Evans, J.; Rodriguez, J. A.; White, M. G.; Liu, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 9909-9917 10.1039/c001484b
48. Szanyi, J.; Goodman, D. W. Catal. Lett. 1991, 10, 383-390 10.1007/BF00769173
49. Nakamura, J.; Rodriguez, J. A.; Campbell, C. T. J. Phys.: Condens. Matter 1989, 1, SB149-SB160 10.1088/0953-8984/1/SB/026
50. Schneider, T.; Hirschwald, W. Catal. Lett. 1992, 14, 197-204 10.1007/BF00765233
51. Grabow, L. C.; Mavrikakis, M. ACS Catal. 2011, 1, 365-384 10.1021/cs200055d
52. Rodriguez, J. A.; Clendening, W. D.; Campbell, C. T. J. Phys. Chem. 1989, 93, 5238 10.1021/j100350a040
53. Koplitz, L. V.; Dulub, O.; Diebold, U. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10583-10590 10.1021/jp0352175
54. Nakamura, J.; Nakamura, I.; Uchijima, T.; Kanai, Y.; Watanabe, T.; Saito, M.; Fujitani, T. J. Catal. 1996, 160, 65-75 10.1006/jcat.1996.0124
55. Yang, F.; Choi, Y. M.; Agnoli, S.; Liu, P.; Stacchiola, D.; Hrbek, J.; Rodriguez, J. A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 23062-23066 10.1021/jp2082837
56. Yang, Y.; Mims, C. A.; Mei, D. H.; Peden, C. H. F.; Campbell, C. T. J. Catal. 2013, 298, 10-19 10.1016/j.jcat.2012.10.028
57. Yang, X.; Kattel, S.; Senanayake, S. D.; Boscoboinik, J. A.; Nie, X.; Graciani, J.; Rodriguez, J. A.; Liu, P.; Stacchiola, D. J.; Chen, J. G. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10104-10107 10.1021/jacs.5b06150
58. Ono, L. K.; Sudfeld, D.; Roldan Cuenya, B. Roldan Cuenya Surf. Sci. 2006, 600, 5041-5050 10.1016/j.susc.2006.08.025
59. Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides; Oyama, S. T., Ed.; Springer: Berlin, 1996.
60. Levy, R. B.; Boudart, M. Science 1973, 181, 547-551 10.1126/science.181.4099.547
61. Furimsky, E. Appl. Catal., A 2003, 240, 1-28 10.1016/S0926-860X(02)00428-3
62. Rodriguez, J. A.; Viñes, F.; Illas, F.; Liu, P.; Takahashi, Y.; Nakamura, K. J. Chem. Phys. 2007, 127, 211102-211105 10.1063/1.2814246
63. Stottlemyer, A. L.; Kelly, T. G.; Meng, Q.; Chen, J. G. Surf. Sci. Rep. 2012, 67, 201-232 10.1016/j.surfrep.2012.07.001
64. Solymosi, F.; Oszkó, A.; Bánsági, T.; Tolmacsov, P. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9613-9618 10.1021/jp0203696
65. Posada-Pérez, S.; Viñes, F.; Ramirez, P. J.; Vidal, A. B.; Rodriguez, J. A.; Illas, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 14912-14921 10.1039/c4cp01943a
66. Wang, T.; Li, Y. W.; Wang, J.; Beller, M.; Jiao, H. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 3162 10.1021/jp412067x
67. Silvi, B.; Savin, A. Nature 1994, 371, 683-686 10.1038/371683a0
68. Bader, R. Chem. Rev. 1991, 91, 893-928 10.1021/cr00005a013
69. Gomez, T.; Florez, E.; Rodriguez, J. A.; Illas, F. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11666-11672 10.1021/jp2024445
70. Quadrelli, A.; Centi, G.; Duplan, J.-L.; Perathoner, S. ChemSusChem 2011, 4, 1194-1215 10.1002/cssc.201100473
71. Schumann, J.; Eichelbaum, M.; Lunkenbein, T.; Thomas, N.; álvárez-Galvan, M. C.; Schlögl, R.; Behrens, M. ACS Catal. 2015, 5, 3260-3270 10.1021/acscatal.5b00188
72. Green, I. X.; Tang, W.; Neurock, M.; Yates, J. T. Science 2011, 333, 736-739 10.1126/science.1207272
73. Behrens, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 12022-12024 10.1002/anie.201409282
74. James, T. E.; Hemmingson, S. L.; Campbell, C. T. ACS Catal. 2015, 5, 5673-5678 10.1021/acscatal.5b01372
75. Medford, A. J.; Lausche, A. C.; Abild-Pedersen, F.; Temel, B.; Schjødt, N. C.; Nørskov, J. K.; Studt, F. Top. Catal. 2014, 57, 135-142 10.1007/s11244-013-0169-0
76. Fujitani, T.; Saito, M.; Kanai, Y.; Watanabe, T.; Nakamura, J.; Uchijima, T. Appl. Catal., A 1995, 125, L199-202 10.1016/0926-860X(95)00049-6
77. Ota, A.; Kunkes, E. L.; Kasatkin, I.; Groppo, E.; Ferri, D.; Poceiro, B.; Navarro Yerga, R. M.; Behrens, M. J. Catal. 2012, 293, 27-38 10.1016/j.jcat.2012.05.020
78. Chiavassa, D. L.; Collins, S. E.; Bonivardi, A. L.; Baltanas, M. A. Chem. Eng. J. 2009, 150, 204-212 10.1016/j.cej.2009.02.013
79. Fiordaliso, E. M.; Sharafutdinov, I.; Carvalho, H. W. P.; Grunwaldt, J.-D.; Hansen, T. W.; Chorkendorff, I.; Wagner, J. B.; Damsgaard, C. D. ACS Catal. 2015, 5, 5827-5836 10.1021/acscatal.5b01271
80. Xiang, Y.; Barbosa, R.; Kruse, N. ACS Catal. 2014, 4, 2792-2800 10.1021/cs500696z
81. Xu, W.; Ramirez, P. J.; Stacchiola, D.; Rodriguez, J. A. Catal. Lett. 2014, 144, 1418-1424 10.1007/s10562-014-1278-5
82. He, G.; Yan, Z.; Ma, X.; Meng, H.; Shen, P. K.; Wang, C. Nanoscale 2011, 3, 3578-3582 10.1039/c1nr10436e
83. Porosoff, M. D.; Kattel, S.; Li, W.; Liu, P.; Chen, J. G. Chem. Commun. 2015, 51, 6988-6991 10.1039/C5CC01545F
84. Stacchiola, D. J.; Senanayake, S. D.; Liu, P.; Rodriguez, J. A. Chem. Rev. 2013, 113, 4373-4390 10.1021/cr300316v
85. Reddy, B. J.; Khan, A. Catal. Rev.: Sci. Eng. 2005, 47, 257-296 10.1081/CR-200057488
86. Misono, M. Heterogeneous Catalysis of Mixed Oxides; Elsevier: New York, 2013.