Liquid hydrocarbon fuels play an essential part in the global energy chain, owing to their high energy density and easy transportability. Olefins play a similar role in the production of consumer goods. In a post-oil society, fuel and olefin production will rely on alternative carbon sources, such as biomass, coal, natural gas, and CO(2). The methanol-to-hydrocarbons (MTH) process is a key step in such routes, and can be tuned into production of gasoline-rich (methanol to gasoline; MTG) or olefin-rich (methanol to olefins; MTO) product mixtures by proper choice of catalyst and reaction conditions. This Review presents several commercial MTH projects that have recently been realized, and also fundamental research into the synthesis of microporous materials for the targeted variation of selectivity and lifetime of the catalysts.

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.

A novel nonaqueous route has been applied for the preparation of nanocrystalline magnetite. In a simple one-pot reaction process, iron(III) acetylacetonate was dissolved in benzyl alcohol and treated in an autoclave between 175 and 200 °C. This approach leads to monocrystalline magnetite particles with sizes ranging from 12 to 25 nm, as evidenced by X-ray analysis, HRTEM, and Raman and Mossbauer spectroscopy. The isolated particles can be redispersed either in polar or nonpolar solvents by coating them just after synthesis with undecanoic acid or dopamine. Simple sedimentation after redispersion in hexane can be used to lower the polydispersity of the sample.

Cu-SSZ-13 has been characterized by different spectroscopic techniques and compared with Cu-ZSM-5 and Cu-β with similar Si/Al and Cu/Al ratios and prepared by the same ion exchange procedure. On vacuum activated samples, low temperature FTIR spectroscopy allowed us to appreciate a high concentration of reduced copper centres, i.e. isolated Cu(+) ions located in different environments, able to form Cu(+)(N2), Cu(+)(CO)n (n = 1, 2, 3), and Cu(+)(NO)n (n = 1, 2) upon interaction with N2, CO and NO probe molecules, respectively. Low temperature FTIR, DRUV-Vis and EPR analysis on O2 activated samples revealed the presence of different Cu(2+) species. New data and discussion are devoted to (i) [Cu-OH](+) species likely balanced by one framework Al atom; (ii) mono(μ-oxo)dicopper [Cu2(μ-O)](2+) dimers observed in Cu-ZSM-5 and Cu-β, but not in Cu-SSZ-13. UV-Vis-NIR spectra of O2 activated samples reveal an intense and finely structured d-d quadruplet, unique to Cu-SSZ-13, which is persistent under SCR conditions. This differs from the 22,700 cm(-1) band of the mono(μ-oxo)dicopper species of the O2 activated Cu-ZSM-5, which disappears under SCR conditions. The EPR signal intensity sets Cu-β apart from the others.

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.