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利用可再生能源從水中得到氫，并利用高效、高選擇性催化劑將溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為清潔燃料和化學(xué)品，對緩解CO₂對氣候變化帶來的負(fù)面影響和減少對化石能源的依賴具有重要意義。最近，大連理工大學(xué)化工學(xué)院郭新聞教授團隊與美國佐治亞理工學(xué)院姜瀟博士、美國萊斯大學(xué)Thomas P. Senftle教授及美國哥倫比亞大學(xué)陳經(jīng)廣教授合作，針對CO₂催化加氫制醇和烴類液體燃料開展了系列研究，取得了一系列創(chuàng)新性研究成果，相關(guān)成果發(fā)表在化學(xué)及催化領(lǐng)域國際頂級期刊Chemical Reviews、Advances in Catalysis、Journal of Catalysis和ACS Catalysis上。

1)?CO₂催化轉(zhuǎn)化制甲醇綜述

甲醇是一種重要化工原料，可作為內(nèi)燃機和燃料電池的燃料，也可作為生產(chǎn)化學(xué)品和燃料的平臺分子。通過多相熱催化將CO₂與H₂轉(zhuǎn)化為甲醇是一種頗具前途的方法，在過去的幾十年里受到了廣泛的關(guān)注。近年來，研究人員在金屬、金屬氧化物、金屬間化合物等類型催化劑的開發(fā)、及其在CO₂制甲醇領(lǐng)域取得了重要進展。此外，利用納米材料的催化特征，可以有效調(diào)控催化劑的組成和表面結(jié)構(gòu)，制備具有優(yōu)勢的催化新材料。近年來，通過研究者的不斷努力，在催化材料研發(fā)上已經(jīng)取得了長足進步，但現(xiàn)有催化材料在反應(yīng)速率和穩(wěn)定性方面仍需進一步提高。最近，郭新聞教授團隊與美國佐治亞理工學(xué)院姜瀟博士合作，針對CO₂加氫合成甲醇反應(yīng)中催化劑性能、催化劑結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系、理解反應(yīng)機理和確定設(shè)計改進催化劑的關(guān)鍵模擬參數(shù)的重要性進行了系統(tǒng)的綜述，發(fā)表在Chemical Reviews上。

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(Xiao Jiang¹, Xiaowa Nie^1,*, Xinwen Guo* and Jingguang G. Chen*. Recent Advances in Carbon Dioxide Hydrogenation to Methanol via Heterogeneous Catalysis. Chem. Rev. (Review)?2020, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00723)

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2)?CO₂催化轉(zhuǎn)化制醇和烴類綜述

CO₂加氫催化轉(zhuǎn)化在合成烴類和高碳醇產(chǎn)品方面也具有重要應(yīng)用。該領(lǐng)域目前存在的關(guān)鍵科學(xué)問題是如何采用有效的催化劑和反應(yīng)工藝使CO和CH₄產(chǎn)品最小化，并選擇性促進CO₂在較低溫度下轉(zhuǎn)化為醇類，特別是轉(zhuǎn)化為具有熱力學(xué)優(yōu)勢的高碳醇。基于過去十年來金屬基催化劑的研究成果，郭新聞教授團隊與美國佐治亞理工學(xué)院姜瀟博士合作綜述了多相催化CO₂加氫制醇和烴類的研究進展。綜述了近年來在探明影響CO₂轉(zhuǎn)化活性和選擇性的關(guān)鍵因素如金屬類型、載體和催化劑組成配比等方面的研究進展以及對反應(yīng)途徑和催化劑構(gòu)效關(guān)系的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)之上，為CO₂加氫領(lǐng)域提出了潛在的研究方向和待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：需要提高對催化活性相、活性位點和反應(yīng)機理的深入認(rèn)識，也需要加強在節(jié)能二氧化碳轉(zhuǎn)化和利用方面的創(chuàng)新催化過程研發(fā)。該綜述文章發(fā)表在Advances in Catalysis上。

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(Xiaowa?Nie¹, Wenhui Li¹, Xiao Jiang*, Xinwen Guo*.?Recent Advances in Catalytic CO₂?Hydrogenation to Alcohols and Hydrocarbons.?Adv. Catal. (Review)?2019,?65, 121–233.)

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3)?CO₂催化轉(zhuǎn)化研究新進展

氧化銦(In₂O₃)基催化劑在催化CO₂加氫制甲醇方面具有優(yōu)異的性能。最近，郭新聞教授團隊與美國佐治亞理工學(xué)院姜瀟博士合作，采用催化實驗結(jié)合密度泛函理論計算的方法，揭示了水在甲醇合成中的關(guān)鍵作用，并為額外加入H₂O如何通過調(diào)節(jié)In₂O₃/ZrO₂催化劑表面來促進CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH的機制提供了新線索和研究基礎(chǔ)，相關(guān)工作發(fā)表在 J. Catal.?2020,?383, 283–296。另一方面，了解催化劑的結(jié)構(gòu)與催化活性之間的關(guān)系對于開發(fā)性能優(yōu)良的新型催化劑至關(guān)重要。最近，郭新聞教授課題組與美國萊斯大學(xué)Thomas P. Senftle教授合作，采用催化實驗結(jié)合密度泛函理論計算的方法揭示了In₂O₃催化劑晶相在催化逆水氣變換(RWGS)反應(yīng)中的重要性，為理解和設(shè)計高效RWGS催化劑提供了新線索，相關(guān)工作作為封面發(fā)表在ACS Catal.?2020,?https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04239。