Synergistic Catalysis of Cu/TS-1 for Low-temperature Methanol Steam Reforming Reaction

doi:10.7503/cjcu20250167

Abstract

Abstract:

Low-temperature methanol steam reforming（L-MSR） for hydrogen production is a promising approach to addressing the challenges of hydrogen energy sustainability and uneven hydrogen sources distribution. This research focuses on investigating the performance of copper-loaded titanium silicate molecular sieves（Cu/TS-1） with varying Ti coordination configurations in hydrogen production via L-MSR. Through comprehensive characterization employing X-ray diffraction（XRD）， transmission electron microscope（TEM）， NH₃-temperature programmed desorption（TPD） and CO₂-TPD， we demonstrate that the synergistic adsorption interaction between Cu and framework Ti significantly enhances both the low-temperature catalytic activity and stability. The results indicate that under atmospheric pressure at 240 ℃ with a water/methanol ratio of 2， the Cu/TS-1 catalyst exhibits a hydrogen production rate of 148.4 mmol·g^-1·h^-1 and its copper mass-specific activity reaches 891 mmol·g^-1·h^-1， representing a 1.4-fold enhancement compared to the ca. 621 mmol·g^-1·h^-1 of the co-precipitation synthesized Cu/ZnO catalyst reported in literature. Structural-activity relationship analysis reveals that the framework Ti in TS-1 increases the weak acidic sites， improves the Cu nanoparticles dispersion， and strengthens the interaction between Cu and TS-1 surface. Additionally， the interaction between framework Ti and Cu nanoparticles facilitates the formation of bidentate CO₂ adsorption sites， optimizing the adsorption of formic acid intermediates and accelerating their decomposition， which significantly boosts low-temperature hydrogen production.

Key words: Cu-based catalyst, Hydrogen production, Molecular sieve, Nanomaterials, Interface

CLC Number:

O643

TrendMD:

LU Qing, CHEN Xue, LIU Yuanyuan, WANG Fei, TUO Yongxiao, ZHAO Haoyang, YI Chenxue, MU Taoyang, XU Shaofei, QIN Haotian, FENG Xiang, CHEN De. Synergistic Catalysis of Cu/TS-1 for Low-temperature Methanol Steam Reforming Reaction[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250167.

Figures/Tables 8

Table 1 Comparative performance of Cu/TS-1 catalyst versus literature catalysts in MSR

Catalyst	Temperature/℃	Conversion（%）	H₂ production rate/ （mmol·g^-1·h^-1）	Water/methanol	Unit copper activity/ （mmol·g $C u - 1$ ·h^-1）	Ref.
Ce⁃Cu/Mg⁃Al	280	—	87.54	1.2	—	［37］
Nb/Pd⁃Zr⁃Zn	220	15	50	1.2	—	［38］
Cu/CeO₂	250	—	51.5	1.2	—	［39］
Cu/ZrO₂	260	20	91	1.3	—	［40］
Pt/S⁃1	400	71.1	—	3	—	［41］
CuZrAl9.0	270	33	—	1.5	—	［42］
Cu/ZnO	200	12.1	18.2	—	48.75	［36］
Cu/ZnO	250	46.4	69.6	—	621	［36］
Cu/TS⁃1	240	44	148.4	2	891	This work

Table 1 Comparative performance of Cu/TS-1 catalyst versus literature catalysts in MSR

Catalyst	Temperature/℃	Conversion（%）	H₂ production rate/ （mmol·g^-1·h^-1）	Water/methanol	Unit copper activity/ （mmol·g $C u - 1$ ·h^-1）	Ref.
Ce⁃Cu/Mg⁃Al	280	—	87.54	1.2	—	［37］
Nb/Pd⁃Zr⁃Zn	220	15	50	1.2	—	［38］
Cu/CeO₂	250	—	51.5	1.2	—	［39］
Cu/ZrO₂	260	20	91	1.3	—	［40］
Pt/S⁃1	400	71.1	—	3	—	［41］
CuZrAl9.0	270	33	—	1.5	—	［42］
Cu/ZnO	200	12.1	18.2	—	48.75	［36］
Cu/ZnO	250	46.4	69.6	—	621	［36］
Cu/TS⁃1	240	44	148.4	2	891	This work

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