我所揭示二氧化碳催化加氫中的界面效應

  近日,我所碳資源小分子與氫能利用創新特區研究組(DNL19T3)孫劍副研究員和葛慶杰研究員團隊在二氧化碳催化加氫中的界面效應研究方面取得新進展,發現可碳化的系列K助劑可在二氧化碳加氫的氣氛中誘導鐵基催化劑形成獨特的高活性Fe5C2-K2CO3界面,大幅促進乙烯、丙烯和線性α-烯烴的生成。

  化石能源的大量消耗使溫室氣體排放量急劇增加,引起了全球變暖等日益嚴峻的能源環境問題。以二氧化碳和可再生能源產生的氫為原料直接合成高附加值的燃料及化學品是實現碳資源清潔高效利用的有效途徑。在鐵催化劑上,堿金屬助劑(如K和Na等)可有效促進合成烯烴,但在分子水平上的影響機制以及如何選擇合適的助劑種類尚待研究。

  該團隊在前期工作基礎上(Nat. Commun. 2017, 8, 15174; ACS Catal. 2018, 8, 9958; Commun. Chem. 2018, 1, 11),通過改變助劑類型及其與Fe/C催化劑間的空間尺度,實現了二氧化碳加氫制高附加值烯烴的選擇性調控,使單程轉化率大于32%,烯烴選擇性達到75%,高附加值烯烴收率可達20%。研究發現,在反應條件下,不同K助劑修飾的Fe/C催化劑呈現出截然不同的催化性能,不可碳化的K助劑(K2SO4/KCl)修飾的Fe/C催化劑主要生成烷烴和少量烯烴,而可碳化的K助劑(K2CO3, KHCO3, KOH, CH3COOK等)修飾后生成大量的乙烯、丙烯和線性a-烯烴。原位XRD、高分辨透射電鏡、穆斯堡爾譜等表征結果說明,二氧化碳通過參與可碳化K助劑的循環轉化過程來提高K物種向Fe表面的遷移能力,促進高活性Fe5C2-K2CO3界面的形成。同時,K與Fe催化劑間的空間尺度會明顯影響Fe5C2-K2CO3界面的形成程度,進而改變反應性能。

  該工作為設計和優化用于二氧化碳加氫制備高附加值化學品的研究提供了新思路,同時也為間歇性可再生能源的利用開辟了新途徑。

  相關研究結果發表在美國化學會出版的ACS Catalysis上,同時被選為Cover論文。上述研究工作得到國家自然科學基金、中科院“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”A類先導專項、興遼英才青年拔尖人才計劃等項目的資助。(文/圖 韓譽、孫劍)

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