The active sites over commercial copper/zinc oxide/aluminum oxide (Cu/ZnO/Al2O3) catalysts for carbon dioxide (CO2) hydrogenation to methanol, the Zn-Cu bimetallic sites or ZnO-Cu interfacial sites, have recently been the subject of intense debate. We report a direct comparison between the activity of ZnCu and ZnO/Cu model catalysts for methanol synthesis. By combining x-ray photoemission spectroscopy, density functional theory, and kinetic Monte Carlo simulations, we can identify and characterize the reactivity of each catalyst. Both experimental and theoretical results agree that ZnCu undergoes surface oxidation under the reaction conditions so that surface Zn transforms into ZnO and allows ZnCu to reach the activity of ZnO/Cu with the same Zn coverage. Our results highlight a synergy of Cu and ZnO at the interface that facilitates methanol synthesis via formate intermediates.

The chemical transformation of CO2 not only mitigates the anthropogenic CO2 emission into the Earth's atmosphere but also produces carbon compounds that can be used as precursors for the production of chemicals and fuels. The activation and conversion of CO2 can be achieved on multifunctional catalytic sites available at the metal/oxide interface by taking advantage of the synergy between the metal nanoparticles and oxide support. Herein, we look at the recent progress in mechanistic studies of CO2 hydrogenation to C1 (CO, CH3OH, and CH4) compounds on metal/oxide catalysts. On this basis, we are able to provide a better understanding of the complex reaction network, grasp the capability of manipulating structure and combination of metal and oxide at the interface in tuning selectivity, and identify the key descriptors to control the activity and, in particular, the selectivity of catalysts. Finally, we also discuss challenges and future research opportunities for tuning the selective conversion of CO2 on metal/oxide catalysts.

Rational optimization of catalytic performance has been one of the major challenges in catalysis. Here we report a bottom-up study on the ability of TiO2 and ZrO2 to optimize the CO2 conversion to methanol on Cu, using combined density functional theory (DFT) calculations, kinetic Monte Carlo (KMC) simulations, in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) measurements, and steady-state flow reactor tests. The theoretical results from DFT and KMC agree with in situ DRIFTS measurements, showing that both TiO2 and ZrO2 help to promote methanol synthesis on Cu via carboxyl intermediates and the reverse water-gas-shift (RWGS) pathway; the formate intermediates, on the other hand, likely act as a spectator eventually. The origin of the superior promoting effect of ZrO2 is associated with the fine-tuning capability of reduced Zr(3+) at the interface, being able to bind the key reaction intermediates, e.g. *CO2, *CO, *HCO, and *H2CO, moderately to facilitate methanol formation. This study demonstrates the importance of synergy between theory and experiments to elucidate the complex reaction mechanisms of CO2 hydrogenation for the realization of a better catalyst by design.

Renewable production of ammonia, a building block for most fertilizers, via the electrochemical nitrogen reduction reaction (ENRR) is desirable; however, a selective electrocatalyst is lacking. Here we show that vanadium nitride (VN) nanoparticles are active, selective, and stable ENRR catalysts with an ENRR rate and a Faradaic efficiency (FE) of 3.3 × 10–10 mol s–1 cm–2 and 6.0% at −0.1 V within 1 h, respectively. ENRR with 15N2 as the feed produces both 14NH3 and 15NH3, which indicates that the reaction follows a Mars–van Krevelen mechanism. Ex situ X-ray photoelectron spectroscopy characterization of fresh and spent catalysts reveals that multiple vanadium oxide, oxynitride, and nitride species are present on the surface and identified VN0.7O0.45 as the active phase in the ENRR. Operando X-ray absorption spectroscopy and catalyst durability test results corroborate this hypothesis and indicate that the conversion of VN0.7O0.45 to the VN phase leads to catalyst deactivation. We hypothesize that only the surface N sites adjacent to a surface O are active in the ENRR. An ammonia production rate of 1.1 × 10–10 mol s–1 cm–2 can be maintained for 116 h, with a steady-state turnover number of 431.

Abstract The synergistic interaction among different components in complex catalysts is one of the crucial factors in determining catalytic performance. Here we report the interactions among the three components in controlling the catalytic performance of Cu–ZnO–ZrO 2 (CZZ) catalyst for CO 2 hydrogenation to methanol. The in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) measurements under the activity test pressure (3 MPa) reveal that the CO 2 hydrogenation to methanol on the CZZ catalysts follows the formate pathway. Density functional theory (DFT) calculations agree with the in situ DRIFTS measurements, showing that the ZnO–ZrO 2 interfaces are the active sites for CO 2 adsorption and conversion, while the presence of metallic Cu is also necessary to facilitate H 2 dissociation and to provide hydrogen resource. The combined experiment and DFT results reveal that tuning the interaction between ZnO and ZrO 2 can be considered as another important factor for designing high performance catalysts for methanol generation from CO 2 .

In situtransformation of Pd into β-PdH is the origin of the high selectivity for CO in the electrochemical CO₂reduction reaction using Pd as the electrocatalyst.

The detailed reaction pathways for oxygen reduction on FeN4 embedded graphene have been investigated using density functional theory transition-state calculations. Our first-principles calculation results show that all of the possible ORR elementary reactions could take place within a small region around the embedded FeN4 complex. It is predicted that the kinetically most favorable reaction pathway for ORR on the FeN4 embedded graphene would be a four-electron OOH dissociation pathway, in which the rate-determining step is found to be the OOH dissociation reaction with an activation energy of 0.56 eV. Consequently, our theoretical study suggests that nonprecious FeN4 embedded graphene could possess catalytic activity for ORR comparable to that of precious Pt catalysts.

First-principles DFT computations are performed to explain the origin and the mechanism of oxygen reduction reaction (ORR) on Co–Nx (x = 2, 4) based self-assembled carbon supported electrocatalysts in alkaline and acidic media. The results show that the formation of graphitic Co–N4 defect is energetically more favorable than the formation of graphitic Co–N2 defect. Furthermore graphitic Co–N4 defects are predicted to be stable at all potentials (U = 0–1.23 V) in the present study while Co–N2 defects are predicted to be unstable at high potentials. Therefore the Co–N4 defect is predicted to be the dominant in-plane graphitic defect in Co–Nx/C electrocatalysts. O2 chemisorbs to Co–N4 and Co–N2 defects indicating that both defect motifs are active for the reduction of O2 to peroxide. However, the weak interaction between peroxide and Co–N4 defect shows that this defect does not promote complete ORR and a second site for the reduction of peroxide is required, supporting a 2 × 2e− dual site ORR mechanism independent of pH of the electrolyte. In contrast, the much stronger interaction between peroxide and Co–N2 defect supports a 2 × 2e− single site ORR mechanism in alkaline and acidic media.

Abstract By simply changing the oxide support, the selectivity of a metal–oxide catalysts can be tuned. For the CO 2 hydrogenation over PtCo bimetallic catalysts supported on different reducible oxides (CeO 2 , ZrO 2 , and TiO 2 ), replacing a TiO 2 support by CeO 2 or ZrO 2 selectively strengthens the binding of C,O‐bound and O‐bound species at the PtCo–oxide interface, leading to a different product selectivity. These results reveal mechanistic insights into how the catalytic performance of metal–oxide catalysts can be fine‐tuned.