Project

Back to overview

Advancing Reducible Metal Oxides for Heterogeneous Catalysis

Applicant Müller Christoph
Number 196943
Funding scheme Project funding
Research institution D-MAVT ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.05.2021 - 30.04.2025
Approved amount 1'100'000.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Chemical Engineering
Material Sciences

Keywords (6)

X-ray based characterization; metal oxides; chemical looping; CO2 hydrogenation; heterogeneous catalysis; operando experimentation

Lay Summary (German)

Lead
Metalloxide finden zunehmend Verwendung in nachhaltigen chemischen Umwandlungstechnologien wie z.B. die Hydrierung von CO2 zu Methanol. Im Allgemeinen wird die katalytische Funktion eines Metalloxids durch seine Struktur und die Eigenschaften seiner Metall- und Sauerstoffzentren bestimmt. Durch Substitution oder Dotierung können zudem die elektronischen und atomaren Strukturen von Metalloxiden manipuliert werden. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsantrags besteht darin, ein Zusammenhang zwischen der Struktur und den katalytischen Eigenschaften von Metalloxiden zu etablieren. Die Hauptanforderung zur Erreichung dieses Ziels ist die Entwicklung von Modellkatalysatorsystemen von kontrollierter Größe, Zusammensetzung und Kristallstruktur sowie deren strukturelle und elektronische Charakterisierung.
Lay summary

Metalloxide werden in großem Umfang in Umwandlungsprozessen von fossilen Stoffen verwendet (z. B. Cracking- oder Dehydrierungsreaktionen). Allerdings finden Metalloxide auch zunehmend Verwendung in nachhaltigen chemischen Umwandlungstechnologien wie die vier in diesem Antrag berücksichtigten Reaktionen: die Sauerstoffentwicklungsreaktion, die CO2 Reformierung von Methan, die Hydrierung von CO2 zu Methanol und die oxidative Dehydrierung von Ethan/Propan. Im Allgemeinen wird die katalytische Funktion eines Metalloxids durch seine Struktur und die Eigenschaften seiner Metall- und Sauerstoffzentren bestimmt. Darüber hinaus können reduzierbare Metalloxide Defekte wie Sauerstofffehlstellen und eine dynamische Redox-Chemie enthalten, die sie für viele katalytische Prozesse aktiv macht. Durch Substitution oder Dotierung können zudem die elektronischen und atomaren Strukturen von Metalloxiden manipuliert werden und somit eine Optimierung ihrer katalytischen und Redoxeigenschaften ermöglichen. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsantrags besteht darin, ein Zusammenhang zwischen der Struktur und den katalytischen Eigenschaften von Metalloxiden zu etablieren um robuste Gestaltungsregeln für deren Weiterentwicklung bereitzustellen und dadurch ihre Aktivität, Selektivität und Stabilität weiter zu verbessern. Die Hauptanforderung zur Erreichung dieses Ziels ist die Entwicklung von Modellkatalysatorsystemen von kontrollierter Größe, Zusammensetzung und Kristallstruktur sowie deren strukturelle und elektronische Charakterisierung durch eine Reihe komplementärer experimenteller Techniken, z.B. Röntgenbeugung, Röntgenabsorptionsspektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie oder Elektronenmikroskopie, idealerweise unter Operando- (oder In-situ-) Bedingungen.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.04.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182692 Understanding multi-phase particulate systems: from (reactive) gas-fluidized beds to dense suspensions via advanced magnetic resonance imaging (MRI) and Lagrangian modeling 01.05.2019 Project funding
180544 NCCR Catalysis (phase I) 01.08.2020 National Centres of Competence in Research (NCCRs)

Abstract

Besides their widespread utilization in established, fossil-based conversion processes (e.g. fluid catalytic cracking or dehydrogenation reactions), metal oxides are equally relevant in sustainable chemical conversion technologies, such as the four reactions considered in this proposal: the oxygen evolution reaction (OER), the dry reforming of methane (DRM), the hydrogenation of CO2 to methanol and the oxidative dehydrogenation of ethane/propane via a chemical looping approach. Generally, the catalytic function of a metal oxide is determined by its structure and the properties of both the metal and oxygen sites. In addition, reducible metal oxides may contain defects such as oxygen vacancies and a dynamic redox (surface) chemistry that renders them functional for many catalytic processes. The fact that substitution or doping can manipulate their electronic and atomic-scale structure, and thus, tune their catalytic and redox properties, makes metal oxides highly versatile. The overall objective of this proposal is to identify structure-performance relationships in metal oxides or metal oxide-derived catalysts in order to provide robust guidelines for advancing their formulation, improving thereby their activity, selectivity and/or stability. The key requirement to achieve this goal is the development of model catalyst systems of well-controlled size, composition and crystal structure, and their structural and electronic characterization by a series of complementary experimental techniques, e.g. X-ray diffraction (XRD), pair distribution function (PDF) analysis, X-ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and environmental electron microscopy, when feasible under operando (or in situ) conditions. Importantly, the experimental techniques employed will interrogate the catalysts at the relevant length scales, i.e. from the atom-level to the nanometer scale by combining information obtained from XAS, PDF, XAS and XPS. Executing the proposed experimental program (complemented by density functional theory (DFT) calculations from collaborators) will allow us to connect unequivocally a given structural descriptor of a catalyst to a certain activity and selectivity, allowing in turn the design of materials that feature a high density of the most active (and selective) structural sites. Concerning the four reactions considered in this proposal, the key questions to be addressed are:•How can we stabilize a high density of oxygen vacancy sites that are catalytically active for the hydrogenation of CO2, while avoiding an over-reduction of the material under reaction conditions? •How can we effectively limit coke-formation on supported Ni-based catalysts through the controlled alloying with a second metal while not compromising their activity? •How can element substitution trigger the lattice-oxygen participated mechanism of the OER and enhance reaction kinetics?•How can we control oxygen transfer from the bulk to the surface in reducible oxides to avoid over-oxidation in alkane dehydrogenation?Lastly, we believe that the advances in material synthesis and operando characterization achieved within this proposal are not only relevant for the material systems and reactions explored here, but of broad relevance in a large number of related material science, chemistry and chemical engineering applications and will lead to many future research directions and material applications.
-