郭新聞教授課題組二氧化碳催化轉(zhuǎn)化研究新進展
全球二氧化碳(CO2)排放量的快速增加已引發(fā)了各種環(huán)境問題，例如全球變暖和海洋酸化等。CO2催化轉(zhuǎn)化是遏制溫室效應(yīng)，最終實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要潛在途徑之一。郭新聞教授團隊近期在CO2加氫反應(yīng)選擇性調(diào)控、催化CO2轉(zhuǎn)化合成高級醇以及CO2輔助丙烷脫氫反應(yīng)等一系列研究中取得了新的進展。
CO2加氫反應(yīng)中選擇性的調(diào)控對實現(xiàn)產(chǎn)物的定向合成與CO2的高附加值利用具有重要意義。鈷基催化劑是傳統(tǒng)的低溫費托合成（CO加氫）催化劑，其在CO2加氫反應(yīng)中對H2與*CO中間體具有較強的吸附活化能力，主要得到深度加氫產(chǎn)物CH4。通過改變Co位點電子結(jié)構(gòu)，可有效調(diào)控其對反應(yīng)物的吸附能力與反應(yīng)路徑，進而控制產(chǎn)物選擇性。郭新聞教授團隊利用具有獨特介孔孔道結(jié)構(gòu)的SBA-15作為載體，分散錨定CoOx顆粒，誘導(dǎo)反應(yīng)過程中暴露更多Co2+位點。相比于Co0位點，Co2+位點對反應(yīng)氣與*CO中間體具有適中的吸附活化能力，經(jīng)由甲酸鹽（HCOO*）路徑生成產(chǎn)物CO；而Co0位點上則更多經(jīng)由羧酸鹽（*COOH）中間體生成強吸附的*CO中間物種，進一步加氫得到產(chǎn)物CH4。該項工作揭示了鈷基催化劑在CO2加氫反應(yīng)中選擇性調(diào)控的機制，相關(guān)研究結(jié)果在化工類高水平期刊Chemical Engineering Journal發(fā)表(DOI: 10.1016/j.cej.2022.137217)。
Fe基碳化物(碳化鐵) 在CO2加氫反應(yīng)中具有很強的活性及鏈增長能力，但其產(chǎn)物主要為烴類，難以觀察到醇類產(chǎn)物的生成。將具有高活性以及強鏈增長能力的碳化鐵進行改性，使產(chǎn)物由長鏈烴向附加值更高的長鏈醇轉(zhuǎn)變具有重要意義。郭新聞教授團隊在研究中發(fā)現(xiàn)向碳化鐵中同時引入Mn和K，能夠有效促進醇類產(chǎn)物的生成，包括乙醇、丙醇以及丁醇。研究團隊結(jié)合in-situ XRD、STEM-Mapping、in-situ DRIFT及57Fe M?ssbauer等表征手段分析了Mn-K改性碳化鐵在CO2加氫過程中催化劑的相態(tài)演變以及反應(yīng)中間體變化等結(jié)果。Mn-K改性碳化鐵能夠有效促進CHxO*中間體的生成，有利于生成醇類產(chǎn)物。本工作為改性碳化鐵催化劑用于CO2加氫制高級醇提供了新的思路，該研究成果發(fā)表在化工領(lǐng)域高水平期刊Industrial & Engineering Chemistry Research上(DOI: doi/10.1021/acs.iecr.2c00720)。
在丙烷脫氫反應(yīng)中，PtFe雙金屬催化劑中過量的非合金Fe物種會產(chǎn)生大量的積碳。郭新聞教授團隊在研究中發(fā)現(xiàn)在丙烷脫氫反應(yīng)中引入CO2可以顯著抑制積碳的形成，其中CO2選擇性地消除了強積碳位點的非合金Fe物種，而并沒有影響丙烷脫氫位點PtFe合金的催化結(jié)構(gòu)。57FeM?ssbauer、XPS、XAS以及in-situCO-DRIFT等表征手段表明，積碳的顯著抑制主要是由于過量非合金Fe物種在CO2輔助丙烷脫氫反應(yīng)中（CO2-PDH）的有效氧化，而不是CO2的逆向Boudouard反應(yīng)（CO2+C=2CO）。這項工作為在反應(yīng)過程中調(diào)控并優(yōu)化PtFe雙金屬催化劑結(jié)構(gòu)以及探索CO2催化轉(zhuǎn)化新途徑提供了一種潛在的設(shè)計策略。該研究成果發(fā)表在催化領(lǐng)域國際期刊ACS Catalysis (DOI:10.1021/acscatal.2c00649)。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、“興遼英才計劃”高水平創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊和大連理工大學(xué)的資助。
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