Engineering topics

Achterhold, Klaus

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DOE OSTI2024

Modifikation eines Cu‐Pd‐Schaufelrad‐Metall‐Organischen Gerüsts für die selektive CO 2 ‐Elektroreduktion

Abstract Die Optimierung der Bindungsenergie zwischen dem Intermediat und dem aktiven Zentrum ist ein entscheidender Faktor, um die katalytische Produktselektivität und Aktivität bei der elektrochemischen Kohlendioxidreduktion (CO 2 RR) zu steuern. Es ist bekannt, dass Kupferatome als aktive Zentren CO 2 zu Kohlenwasserstoffen und Sauerstoffverbindungen reduzieren, jedoch unter schlechter Produktselektivität leiden, da mehrere Intermediate nur moderate Bindungsenergien aufweisen. Hier berichten wir über eine Ionenaustauschstrategie zur Konstruktion von Cu−Pd‐Schaufelrad‐Dimeren innerhalb von Cu‐basierten metallorganischen Gerüsten (MOFs), [Cu 3‐x Pdx(BTC) 2 ] (BTC=1,3,5‐Benzoltricarbonsäure), ohne die strukturellen Eigenschaften des MOFs zu verändern. Im Vergleich zum reinen Cu‐MOF ([Cu 3 (BTC) 2 ], HKUST‐1) verlagert der Cu−Pd‐MOF die Produkte der CO 2 ‐Elektroreduktion von einer Vielzahl chemischer Spezies hin zu einer selektiven CO‐Erzeugung. Eine in situ‐Röntgenabsorptions‐Feinstrukturanalyse der Oxidationsstufe des Katalysators und der lokalen Geometrie, kombiniert mit theoretischen Berechnungen, zeigt, dass die Einfügung von Pd in die Knotenpunkte der Cu‐Schaufelradstruktur des MOFs die Adsorption des Schlüsselintermediats COOH* am Cu‐Zentrum fördert. Dies ermöglicht CO‐selektive katalytische Mechanismen und verbessert somit unser Verständnis über das Zusammenspiel von Struktur und Aktivität bei der elektrochemischen CO 2 ‐Reduktion unter Verwendung molekularer Katalysatoren.

Zhang, Ruirui↗

DOE OSTI2024

Engineering a Cu‐Pd Paddle‐Wheel Metal–Organic Framework for Selective CO 2 Electroreduction

Optimizing the binding energy between the intermediate and the active site is a key factor for tuning catalytic product selectivity and activity in the electrochemical carbon dioxide reduction reaction. Copper active sites are known to reduce CO 2 to hydrocarbons and oxygenates, but suffer from poor product selectivity due to the moderate binding energies of several of the reaction intermediates. Here, we report an ion exchange strategy to construct Cu−Pd paddle wheel dimers within Cu-based metal–organic frameworks (MOFs), [Cu 3-x Pd x (BTC) 2 ] (BTC=benzentricarboxylate), without altering the overall MOF structural properties. Compared to the pristine Cu MOF ([Cu 3 (BTC) 2 ], HKUST-1), the Cu−Pd MOF shifts CO 2 electroreduction products from diverse chemical species to selective CO generation. In situ X-ray absorption fine structure analysis of the catalyst oxidation state and local geometry, combined with theoretical calculations, reveal that the incorporation of Pd within the Cu−Pd paddle wheel node structure of the MOF promotes adsorption of the key intermediate COOH* at the Cu site. This permits CO-selective catalytic mechanisms and thus advances our understanding of the interplay between structure and activity toward electrochemical CO 2 reduction using molecular catalysts.

CO2 electroreduction reaction↗

DOE OSTI2021

On the Mechanism of Catalytic Decarboxylation of Carboxylic Acids on Carbon-Supported Palladium Hydride

The high chemical stability of aliphatic carboxylic acid makes catalytic decarboxylation at low temperatures challenging. We show that arylaliphatic acids (Ar-CnH2n-COOH, n = 1) decarboxylate on carbon-supported Pd nanoparticles (Pd/C) at 90 °C with 100% selectivity. In situ XANES during decarboxylation of preadsorbed substrates indicates that the active phase is a-phase palladium hydride (a-PdHx). The reaction rate is enhanced by one order of magnitude when hydrogen is preadsorbed. Tracing deuterium labeling positions, it is concluded that carboxylic acid (Ar-CnH2n-COOH) undergoes an a-C-H bond dissociation on the Pd surface to the Ar-(CH2)n-1-CH*-COO* intermediate in the first step, followed by the C-COO scission, and finally, Ar-(CH2)n-1- CH* reacts with two sorbed H to produce Ar-(CH2)n-1-CH3. The high rates are related to the concentration of hydride present on the catalyst particles to complete the catalytic cycle in a Mars-van Krevelen-type mechanism and the rate of H/D exchange at the a-C- H position.

Pd/C catalyst, palladium hydride, arylaliphatic ca↗