助力碳中和!兰大吴剑峰团队揭示CO2加氢反应催化机理 | 前沿用户报道
成果简介2021年4月,兰州大学吴剑峰课题组在ACS Catalysis上发表题为&ldquo Insights into Bimetallic Oxide Synergy during Carbon Dioxide Hydrogenation to Methanol and Dimethyl Ether over GaZrOx Oxide Catalysts&rdquo 的论文,研究了GaZrOx催化剂在CO2加氢制甲醇反应中的活性位点、协同作用及反应机理。 背景介绍二氧化碳(CO2)是一种温室气体,其排放量过多会引起全球性气候变化,如全球变暖、海平面上升等。为了实现可持续发展,科学家们提出将CO2和可再生的绿色H2共同反应生成甲醇这一解决方案。既能减少CO2的排放,又具有开发清洁能源的潜力,可谓一举两得(图1)。甲醇(DME)不仅是重要的平台分子,而且可以作为储氢化合物进一步转化为燃料和其他有价值的化学品。 图1 减少二氧化碳含量的三种方式(内圈)以及二氧化碳氢化的主要产物(外圈) 在该反应中,双金属氧化物催化剂因其优异的CO2加氢制甲醇性能而备受关注,但目前的研究仍然缺乏对其结构与催化活性之间关系的深入理解。兰州大学吴剑峰课题组利用溶剂挥发诱导自组装方法合成了一系列GaZrOx催化剂,并从原子和电子层面对其在CO2加氢制甲醇反应中的活性位点、协同作用及反应机理进行了研究(图2)。 图2 GaZrOx双金属氧化物催化CO2加氢制甲醇的协同机理研究 图文导读图3 GaZrOx双金属氧化物催化CO2加氢制甲醇反应协同机理研究思路示意图 催化活性测试本工作中,使用溶剂挥发诱导自组装方法合成了一系列GaZrOx双金属氧化物催化剂。该方法可以合成出孔径分布均一、Ga 分散性好、比表面积大的介孔催化剂,从而提高其在CO2加氢制甲醇反应中的催化活性。对其进行了催化活性测试,结果表明Ga和Zr之间存在很强的协同作用。 活性位点研究基于X射线光电子能谱、飞行时间二次离子质谱、原位漫反射红外傅里叶变换光谱、电子顺磁共振以及固体核磁共振等技术,提出GaZrOx催化剂的协同效应源自Ga-O(H2活化位点)和Zr3+-Ov(CO2活化位点)两个相邻位点。反应机理探究结合固体核磁共振实验结果,我们观测并提出了GaZrOx催化剂上CO2加氢制甲醇反应的详细机理。 提出反应机理基于以上研究思路,作者提出了GaZrOx催化剂催化CO2加氢制甲醇的反应机理,具体包括以下步骤:(1)H2在GaZrOx催化剂上极化的Ga&ndash O位点发生活化,生成Ga&ndash H物种和&ndash OH基团。(2)氧空位和Zr3+离子均参与CO2的活化。氧空位用于捕获CO2,同时Zr3+将电子转移给CO2形成激活的CO2分子,随后活化的CO2插入Ga&ndash H键中,从而产生关键中间体表面甲酸盐物种。(3)表面甲酸盐物种进一步氢化产生表面甲氧基物种、甲醇。同时GaZrOx催化剂也在氢化过程中再生。此外,甲醇也有可能通过表面甲氧基物种的水解和氢化生成。 仪器推荐本研究中使用了HORIBA LabRAM HR Evolution光谱仪进行了拉曼光谱的测试。针对GaZrOx催化剂,通过传统XRD检测方法无法区分四方相和立方相ZrO2,但拉曼光谱可以对两者进行区分。此外,拉曼光谱不需要对样品进行前处理,且具有样品无破坏可回收的优点。LabRAM HR Evolution 高分辨拉曼光谱仪配备科研级正置/ 倒置显微镜,可实现UV-VIS-NIR 全光谱范围拉曼检测。焦长达到800mm,具有超高的光谱分辨率和空间分辨率。LabRAM HR Evolution 高分辨拉曼光谱仪 如果您对上述产品感兴趣,欢迎扫描二维码留言,我们的工程师将会及时为您答疑解惑。 吴剑锋简介吴剑峰,博士,硕士生导师,兰州大学青年研究员。致力于固体核磁共振技术在多相体系下的反应机理研究(C1化学)和多相催化剂的催化评价研究。先后在J. Am. Chem. Soc., Angew Chem., Chem.&ndash Eur. J., ACS Catal., J. Catal.和Appl. Catal. A: Gen.等杂志发表过学术论文。为J. Catal., Ind. Eng. Chem. Res., ACS Catal.等期刊担任审稿人。联系作者:fengwh18@lzu.edu.cn 文献信息英文原文标题:Insights into Bimetallic Oxide Synergy during Carbon Dioxide Hydrogenation to Methanol and Dimethyl Ether over GaZrOx Oxide Catalysts发表期刊:ACS Catalysis文章署名作者:Wen-Hua Feng, Ming-Ming Yu, Li-Jun Wang, Yu-Ting Miao, Mohsen Shakouri, Jiaqi Ran, Yongfeng Hu, Zhiyun Li, Rong Huang, Yi-Lin Lu, Daqiang Gao, and Jian-Feng Wu原文链接 :https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05410