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.

Converting CO 2 into methanol by catalysis By hydrogenating CO 2 , scientists can transform a greenhouse gas into methanol, a desirable fuel. Graciani et al. cast copper in the role of the highly active catalyst for this reaction by putting copper particles on cerium oxide. The interface between the cerium oxide and the copper enables the reverse water-gas shift reaction that converts CO 2 into CO, which reacts more readily with hydrogen to make methanol. This result takes a step forward in innovating catalysts for this environmentally friendly process. Science , this issue p. 546

Density functional theory (DFT) was employed to investigate the behavior of a series of catalysts used in the hydrogen evolution reaction (HER, 2H+ + 2e- → H2). The kinetics of the HER was studied on the [NiFe] hydrogenase, the [Ni(PS3*)(CO)]1- and [Ni(PNP)2]2+ complexes, and surfaces such as Ni(111), Pt(111), or Ni2P(001). Our results show that the [NiFe] hydrogenase exhibits the highest activity toward the HER, followed by [Ni(PNP)2]2+ > Ni2P > [Ni(PS3*)(CO)]1- > Pt > Ni in a decreasing sequence. The slow kinetics of the HER on the surfaces is due to the fact that the metal hollow sites bond hydrogen too strongly to allow the facile removal of H2. In fact, the strong H−Ni interaction on Ni2P(001) can lead to poisoning of the highly active sites of the surface, which enhances the rate of the HER and makes it comparable to that of the [NiFe] hydrogenase. In contrast, the promotional effect of H-poisoning on the HER on Pt and Ni surfaces is relatively small. Our calculations suggest that among all of the systems investigated, Ni2P should be the best practical catalyst for the HER, combining the high thermostability of the surfaces and high catalytic activity of the [NiFe] hydrogenase. The good behavior of Ni2P(001) toward the HER is found to be associated with an ensemble effect, where the number of active Ni sites is decreased due to presence of P, which leads to moderate bonding of the intermediates and products with the surface. In addition, the P sites are not simple spectators and directly participate in the HER.

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.

The electronic properties of Pt nanoparticles deposited on CeO(2)(111) and CeO(x)/TiO(2)(110) model catalysts have been examined using valence photoemission experiments and density functional theory (DFT) calculations. The valence photoemission and DFT results point to a new type of "strong metal-support interaction" that produces large electronic perturbations for small Pt particles in contact with ceria and significantly enhances the ability of the admetal to dissociate the O-H bonds in water. When going from Pt(111) to Pt(8)/CeO(2)(111), the dissociation of water becomes a very exothermic process. The ceria-supported Pt(8) appears as a fluxional system that can change geometry and charge distribution to accommodate adsorbates better. In comparison with other water-gas shift (WGS) catalysts [Cu(111), Pt(111), Cu/CeO(2)(111), and Au/CeO(2)(111)], the Pt/CeO(2)(111) surface has the unique property that the admetal is able to dissociate water in an efficient way. Furthermore, for the codeposition of Pt and CeO(x) nanoparticles on TiO(2)(110), we have found a transfer of O from the ceria to Pt that opens new paths for the WGS process and makes the mixed-metal oxide an extremely active catalyst for the production of hydrogen.

We examined the effects of the thickness of the Pt shell, lattice mismatch, and particle size on specific and mass activities from the changes in effective surface area and activity for oxygen reduction induced by stepwise Pt-monolayer depositions on Pd and Pd(3)Co nanoparticles. The core-shell structure was characterized at the atomic level using Z-contrast scanning transmission electron microscopy coupled with element-sensitive electron energy loss spectroscopy. The enhancements in specific activity are largely attributed to the compressive strain effect based on the density functional theory calculations using a nanoparticle model, revealing the effect of nanosize-induced surface contraction on facet-dependent oxygen binding energy. The results suggest that moderately compressed (111) facets are most conducive to oxygen reduction reaction on small nanoparticles and indicate the importance of concerted structure and component optimization for enhancing core-shell nanocatalysts' activity and durability.

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.

Low-temperature CO removal Carbon monoxide deactivates fuel cell catalysts, so it must be removed from H 2 generated from hydrocarbons on site. Yao et al. developed a catalyst composed of layered gold clusters on molybdenum carbide (MoC) nanoparticles to convert CO through its reaction with water into H 2 and CO 2 at temperatures as low as 150°C. Water was activated on MoC to form surface hydroxyl groups, which then reacted with CO adsorbed on the gold clusters. Science , this issue p. 389

More than skin deep: Platinum monolayers can act as shells for palladium nanoparticles to lead to electrocatalysts with high activities and an ultralow platinum content, but high platinum utilization. The stability derives from the core protecting the shell from dissolution. In fuel-cell tests, no loss of platinum was observed in 200 000 potential cycles, whereas loss of palladium was significant.