For the first time, the standard and fast selective catalytic reduction (SCR) of NO by NH3 are described in a complete catalytic cycle that is able to produce the correct stoichiometry while allowing adsorption and desorption of stable molecules only. The standard SCR reaction is a coupling of the activation of NO by O2 with the fast SCR reaction, enabled by the release of NO2. According to the scheme, the SCR reaction can be divided into an oxidation of the catalyst by NO + O2 and a reduction by NO + NH3; these steps together constitute a complete catalytic cycle. Furthermore, both NO and NH3 are required in the reduction, and finally, oxidation by NO + O2 or NO2 leads to the same state of the catalyst. These points are shown experimentally for a Cu-CHA catalyst by combining in situ X-ray absorption spectroscopy (XAS), electron paramagnetic resonance (EPR), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). A consequence of the reaction scheme is that all intermediates in fast SCR are also part of the standard SCR cycle. The activation energy calculated by density functional theory (DFT) indicates that the oxidation of an NO molecule by O2 to a bidentate nitrate ligand is rate-determining for standard SCR. Finally, the role of a nitrate/nitrite equilibrium and the possible influence of Cu dimers and Brønsted sites are discussed, and an explanation is offered as to how a catalyst can be effective for SCR while being a poor catalyst for NO oxidation to NO2.

Cu-SSZ-13 is a highly active NH3-SCR catalyst for the abatement of harmful nitrogen oxides (NO x , x = 1, 2) from the exhausts of lean-burn engines. The study of Cu-speciation occurring upon thermal dehydration is a key step for the understanding of the enhanced catalytic properties of this material and for identifying the SCR active sites and their redox capability. Herein, we combined FTIR, X-ray absorption (XAS) and emission (XES) spectroscopies with DFT computational analysis to elucidate the nature and location of the most abundant Cu sites in the activated catalyst. Different Cu species have been found to be dominant as a function of the dehydration temperature and conditions. Data analysis revealed that the dehydration process of Cu cations is essentially completed at 250 °C, with the formation of dehydrated [CuOH]+ species hosted in close proximity to 1-Al sites in both d6r and 8r units of the SSZ-13 matrix. These species persist at higher temperatures only if a certain amount of O2 is present in the gas feed, while under inert conditions they undergo virtually total "self-reduction" as a consequence of an OH extra-ligand loss, resulting in bi-coordinated bare Cu+ cations. Synchrotron characterization supported by computational analysis allowed an unprecedented quantitative refinement of the local environment and structural parameters of these Cu(ii) and Cu(i) species.

Cu-exchanged zeolites possess active sites that are able to cleave the C–H bond of methane at temperatures ≤200 °C, enabling its selective partial oxidation to methanol. Herein we explore this process over Cu-SSZ-13 materials. We combine activity tests and X-ray absorption spectroscopy (XAS) to thoroughly investigate the influence of reaction parameters and material elemental composition on the productivity and Cu speciation during the key process steps. We find that the CuII moieties responsible for the conversion are formed in the presence of O2 and that high temperature together with prolonged activation time increases the population of such active sites. We evidence a linear correlation between the reducibility of the materials and their methanol productivity. By optimizing the process conditions and material composition, we are able to reach a methanol productivity as high as 0.2 mol CH3OH/mol Cu (125 μmol/g), the highest value reported to date for Cu-SSZ-13. Our results clearly demonstrate that high populations of 2Al Z2CuII sites in 6r, favored at low values of both Si:Al and Cu:Al ratios, inhibit the material performance by being inactive for the conversion. Z[CuIIOH] complexes, although shown to be inactive, are identified as the precursors to the methane-converting active sites. By critical examination of the reported catalytic and spectroscopic evidence, we propose different possible routes for active-site formation.

The small-pore Cu-CHA zeolite is today the object of intensive research efforts to rationalize its outstanding performance in the NH3-assisted selective catalytic reduction (SCR) of harmful nitrogen oxides and to unveil the SCR mechanism. Herein we exploit operando X-ray spectroscopies to monitor the Cu-CHA catalyst in action during NH3-SCR in the 150–400 °C range, targeting Cu oxidation state, mobility, and preferential N or O ligation as a function of reaction temperature. By combining operando XANES, EXAFS, and vtc-XES, we unambiguously identify two distinct regimes for the atomic-scale behavior of Cu active-sites. Low-temperature SCR, up to ∼200 °C, is characterized by balanced populations of Cu(I)/Cu(II) sites and dominated by mobile NH3-solvated Cu-species. From 250 °C upward, in correspondence to the steep increase in catalytic activity, the largely dominant Cu-species are framework-coordinated Cu(II) sites, likely representing the active sites for high-temperature SCR.

In the typical NH3-SCR temperature range (100-500 °C), ammonia is one of the main adsorbed species on acidic sites of Cu-SSZ-13 catalyst. Therefore, the study of adsorbed ammonia at high temperature is a key step for the understanding of its role in the NH3-SCR catalytic cycle. We employed different spectroscopic techniques to investigate the nature of the different complexes occurring upon NH3 interaction. In particular, FTIR spectroscopy revealed the formation of different NH3 species, that is, (i) NH3 bonded to copper centers, (ii) NH3 bonded to Brønsted sites, and (iii) NH4(+)·nNH3 associations. XANES and XES spectroscopy allowed us to get an insight into the geometry and electronic structure of Cu centers upon NH3 adsorption, revealing for the first time in Cu-SSZ-13 the presence of linear Cu(+) species in Ofw-Cu-NH3 or H3N-Cu-NH3 configuration.

The direct conversion of methane to methanol (MTM) is a reaction that has the potential to disrupt a great part of the synthesis gas-derived chemical industry. However, despite many decades of research, active enough catalysts and suitable processes for industrial application are still not available. Recently, several copper-exchanged zeolites have shown considerable activity and selectivity in the direct MTM reaction. Understanding the nature of the active site in these materials is essential for any further development in the field. Herein, we apply multivariate curve resolution analysis of X-ray absorption spectroscopy data to accurately quantify the fraction of active Cu in Cu-MOR (MOR = mordenite), allowing an unambiguous determination of the active site nuclearity as a dicopper site. By rationalizing the compositional parameters and reaction conditions, we achieve the highest methanol yield per Cu yet reported for MTM over Cu-zeolites, of 0.47 mol/mol.

Abstract Single‐atom catalysts (SACs) are gathering significant attention in chemistry due to their unique properties, offering uniform active site distribution and enhanced selectivity. However, their precise structure often remains unclear, with multiple models proposed in the literature. Understanding the coordination environment of the active site at the atomic level is crucial for explaining catalytic activity. Here, a comprehensive study of SACs made of carbon nitride (CN x ) containing isolated nickel atoms is presented. Using a combination of synthesis techniques and characterization methods including Fourier‐transform infrared spectroscopy, X‐ray absorption spectroscopy (XAS), and density functional theory (DFT) calculations, the local environment of nickel active centers in CN x ‐supported SACs is investigated. These results challenge conventional structural models and propose a new architecture that better aligns with current experimental evidence. This new structure serves as a foundational step toward a rational approach to catalyst development and can facilitate more precise design and application of these innovative catalysts.

This study addresses the impact of SO2 exposure on the catalytic performance of a Cu-chabazite based SCR catalyst, as used in diesel exhausts, to reduce the emission of NOx through...