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On the catalytic behaviors of Cu/SiO2 and Cu/γ-Al2O3 for dimethyl oxalate hydrogenation from microkinetic analysis including a plug flow reactor model
Journal of Catalysis ( IF 6.5 ) Pub Date : 2024-10-28 , DOI: 10.1016/j.jcat.2024.115822 Han-Jie Xiao, Hui-Han Zheng, Ming Lei, Jing-Hong Zhou, De Chen, Xing-Gui Zhou, Yi-An Zhu
Journal of Catalysis ( IF 6.5 ) Pub Date : 2024-10-28 , DOI: 10.1016/j.jcat.2024.115822 Han-Jie Xiao, Hui-Han Zheng, Ming Lei, Jing-Hong Zhou, De Chen, Xing-Gui Zhou, Yi-An Zhu
Cu-based catalysts have been widely used in dimethyl oxalate (DMO) hydrogenation due to their ability to activate C-O/C=O bonds without breaking C–C bonds. In this work, the electronic structures of Cu/SiO2 and Cu/γ-Al2 O3 as well as their catalytic performance have been studied by the machine-learning-based stochastic surface walking-global neural network potential (SSW-NN) method, density functional theory calculation, and microkinetic analysis including a plug flow reactor (PFR) model. Among SiO2 - and γ-Al2 O3 -supported Cun (n = 1–9), the Cu5 and Cu7 clusters are held most tightly on SiO2 (111) and γ-Al2 O3 (110), respectively. The electron transfer from Cu5 to SiO2 (111) leads to the formation of Cuδ+ and Cu0 , which are responsible for the stabilization of unsaturated C and O atoms in the intermediates, respectively, while on γ-Al2 O3 (110) an electron-rich Cu0 -Al3c site is most active. Both the Cuδ+ -Cu0 and the Cu0 -Al3c sites synergistically catalyze the dissociation of gas-phase species and hydrogenation of intermediates. Under the typical operating conditions, although the selectivity towards methyl glycolate (MG) is invariably highest at the reactor inlet, Cu5 /SiO2 (111) and Cu7 /γ-Al2 O3 (110) are actually selective for the production of ethylene glycol (EG) and ethanol (EtOH), respectively, if the overall selectivity is taken into consideration, signifying the importance of including a reactor model to probe the kinetics of series of consecutive reactions. The dissociation of DMO is found to be the rate-determining step, and the high energy barrier for EG dissociation on Cu5 /SiO2 (111) hinders its deep hydrogenation while the relatively low barrier on Cu7 /γ-Al2 O3 (110) is beneficial to the formation of EtOH.
中文翻译:
关于Cu/SiO2和Cu/γ-Al2O3对草酸二甲酯加氢的催化行为,包括活塞流反应器模型
Cu 基催化剂因其能够在不破坏 C-C 键的情况下激活 C-O/C=O 键而被广泛用于草酸二甲酯 (DMO) 加氢。在这项工作中,通过基于机器学习的随机表面行走全局神经网络势 (SSW-NN) 方法、密度泛函理论计算和微动力学分析(包括活塞流反应器 (PFR) 模型)研究了 Cu/SiO2 和 Cu/γ-Al2O3 的电子结构及其催化性能。在 SiO2- 和 γ-Al2O3 负载的 Cun (n = 1–9) 中,Cu5 和 Cu7 簇分别最紧密地固定在 SiO2 (111) 和 γ-Al2O3 (110) 上。从 Cu5 到 SiO2(111) 的电子转移导致 Cuδ+ 和 Cu0 的形成,它们分别负责中间体中不饱和 C 和 O 原子的稳定,而在 γ-Al2O3(110) 上,富电子的 Cu0-Al3c 位点最活跃。Cuδ+-Cu0 和 Cu0-Al3c 位点协同催化气相物质的解离和中间体的氢化。在典型的操作条件下,尽管反应器入口处对乙醇酸甲酯 (MG) 的选择性始终最高,但如果考虑到整体选择性,Cu5/SiO2(111) 和 Cu7/γ-Al2O3(110) 实际上分别对乙二醇 (EG) 和乙醇 (EtOH) 的生产具有选择性,这表明包括反应器模型以探测一系列连续反应的动力学的重要性。发现 DMO 的解离是速率决定步骤,EG 在 Cu5/SiO2(111) 上解离的高能垒阻碍了其深层氢化,而 Cu7/γ-Al2O3(110) 上相对较低的势垒有利于 EtOH 的形成。
更新日期:2024-10-28
中文翻译:
关于Cu/SiO2和Cu/γ-Al2O3对草酸二甲酯加氢的催化行为,包括活塞流反应器模型
Cu 基催化剂因其能够在不破坏 C-C 键的情况下激活 C-O/C=O 键而被广泛用于草酸二甲酯 (DMO) 加氢。在这项工作中,通过基于机器学习的随机表面行走全局神经网络势 (SSW-NN) 方法、密度泛函理论计算和微动力学分析(包括活塞流反应器 (PFR) 模型)研究了 Cu/SiO2 和 Cu/γ-Al2O3 的电子结构及其催化性能。在 SiO2- 和 γ-Al2O3 负载的 Cun (n = 1–9) 中,Cu5 和 Cu7 簇分别最紧密地固定在 SiO2 (111) 和 γ-Al2O3 (110) 上。从 Cu5 到 SiO2(111) 的电子转移导致 Cuδ+ 和 Cu0 的形成,它们分别负责中间体中不饱和 C 和 O 原子的稳定,而在 γ-Al2O3(110) 上,富电子的 Cu0-Al3c 位点最活跃。Cuδ+-Cu0 和 Cu0-Al3c 位点协同催化气相物质的解离和中间体的氢化。在典型的操作条件下,尽管反应器入口处对乙醇酸甲酯 (MG) 的选择性始终最高,但如果考虑到整体选择性,Cu5/SiO2(111) 和 Cu7/γ-Al2O3(110) 实际上分别对乙二醇 (EG) 和乙醇 (EtOH) 的生产具有选择性,这表明包括反应器模型以探测一系列连续反应的动力学的重要性。发现 DMO 的解离是速率决定步骤,EG 在 Cu5/SiO2(111) 上解离的高能垒阻碍了其深层氢化,而 Cu7/γ-Al2O3(110) 上相对较低的势垒有利于 EtOH 的形成。