It is imperative to develop more efficient processes for conversion of biomass to liquid fuels, such that the cost of these fuels would be competitive with the cost of fuels derived from petroleum. We report a catalytic approach for the conversion of carbohydrates to specific classes of hydrocarbons for use as liquid transportation fuels, based on the integration of several flow reactors operated in a cascade mode, where the effluent from the one reactor is simply fed to the next reactor. This approach can be tuned for production of branched hydrocarbons and aromatic compounds in gasoline, or longer-chain, less highly branched hydrocarbons in diesel and jet fuels. The liquid organic effluent from the first flow reactor contains monofunctional compounds, such as alcohols, ketones, carboxylic acids, and heterocycles, that can also be used to provide reactive intermediates for fine chemicals and polymers markets.

Abstract Methanol, an important chemical, fuel additive, and precursor for clean fuels, is produced by hydrogenation of carbon oxides over Cu‐based catalysts. Despite the technological maturity of this process, the understanding of this apparently simple reaction is still incomplete with regard to the reaction mechanism and the active sites. Regarding the latter, recent progress has shown that stepped and ZnO x ‐decorated Cu surfaces are crucial for the performance of industrial catalysts. Herein, we integrate this insight with additional experiments into a full microkinetic description of methanol synthesis. In particular, we show how the presence or absence of the Zn promoter dramatically changes not only the activity, but unexpectedly the reaction mechanism itself. The Janus‐faced character of Cu with two different sites for methanol synthesis, Zn‐promoted and unpromoted, resolves the long‐standing controversy regarding the Cu/Zn synergy and adds methanol synthesis to the few major industrial catalytic processes that are described on an atomic level.

Applying density functional theory (DFT) calculations to the rational design of catalysts for complex reaction networks has been an ongoing challenge, primarily because of the high computational cost of these calculations. Certain correlations can be used to reduce the number and complexity of DFT calculations necessary to describe trends in activity and selectivity across metal and alloy surfaces, thus extending the reach of DFT to more complex systems. In this work, the well-known family of Brønsted−Evans−Polanyi (BEP) correlations, connecting minima with maxima in the potential energy surface of elementary steps, in tandem with a scaling relation, connecting binding energies of complex adsorbates with those of simpler ones (e.g., C, O), is used to develop a potential-energy surface for ethanol decomposition on 10 transition metal surfaces. Using a simple kinetic model, the selectivity and activity on a subset of these surfaces are calculated. Experiments on supported catalysts verify that this simple model is reasonably accurate in describing reactivity trends across metals, suggesting that the combination of BEP and scaling relations may substantially reduce the cost of DFT calculations required for identifying reactivity descriptors of more complex reactions.

H/D exchange experiments on a Cu/ZnO/Al2O3 catalyst have shown that methanol synthesis and RWGS display a strong thermodynamic isotope effect, which is attributed to differences in the zero-point energy of hydrogenated vs. deuterated species. The effect is larger for methanol synthesis and substantially increases the equilibrium yield in deuterated syngas. In the kinetic regime of CO2 hydrogenation, an inverse kinetic isotope effect of H/D substitution was observed, which is stronger for methanol synthesis than for CO formation suggesting that the two reactions do not share a common intermediate. Similar observations were also made on other catalysts such as Cu/MgO, Cu/SiO2, and Pd/SiO2. In contrast to CO2 hydrogenation, the CO hydrogenation on Cu/ZnO/Al2O3 did not show such a strong kinetic isotope effect indicating that methanol formation from CO2 does not proceed via consecutive reverse water gas shift and CO hydrogenation steps. The inverse KIE is consistent with formate hydrogenation being the rate-determining step of methanol synthesis from CO2. Differences in the extent of product inhibition by water, observed for methanol synthesis and reverse water gas shift indicate that the two reactions proceed on different surface sites in a parallel manner. The consequences for catalyst design for effective methanol synthesis from CO2 are discussed.

The design of solid catalysts for industrial processes remains a major challenge in synthetic materials chemistry. Based on the investigation of the industrial Cu/ZnO/Al2O3 catalyst, a modular concept is introduced that helps to develop novel methanol synthesis catalysts that operate in different feed gas mixtures. SA=surface area, SMSI=strong metal–support interaction.