Co 4N催化劑CO 2加氫反應示意圖
近日, 中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院教授曾傑課題組, 研究鈷 (Co) 基催化劑在 CO 2加氫反應中的活性物相. 研究人員將N原子引入到Co催化劑中構築出Co 4N催化劑, 並通過原位機理研究發現, Co 4NH x是該催化過程中真正的活性物相. 研究成果以Incorporating nitrogen atoms into cobalt nanosheets as a strategy to boost catalytic activity toward CO 2 hydrogenation為題, 10月9日線上發表在《自然-能源》雜誌上.
隨著現代科學進步和工業化進程的迅猛發展, 人類對能源的需求日益增加. 大量使用化石燃料, 將面臨能源消耗殆盡的一天, 也對環境造成危害. 因此, 開發可再生能源, 提高能源利用效率迫在眉睫. CO 2加氫反應一方面可以利用CO 2合成化工原料, 緩解CO 2的排放壓力, 實現碳能源的迴圈利用; 另一方面可與新能源電解制氫, 氯堿工業銜接, 實現氫資源的儲存. CO 2加氫反應是碳一化學中的重要反應, 對它的研究可以幫助我們更好地認識CO 2在催化劑上的活化與轉化, 對理解非均相催化劑上表面碳物種的形成以及碳鏈增長意義重大, 並能指導其他含碳物質的轉化.
CO 2加氫轉化工藝中存在能耗過大問題. 由於CO 2的化學惰性, 此反應需要在高溫高壓條件下實現. 在過去的幾十年裡, 人們開發出一系列不同的策略, 以期提高非貴金屬催化劑對CO 2加氫反應的活性. 迄今為止, 對非貴金屬催化劑在CO 2加氫反應中的活性物相研究仍處在初步階段.
研究人員將N原子引入到Co催化劑中形成Co 4N催化劑. 在CO 2加氫催化中, Co 4N催化劑在32atm和1500C的條件下, 轉換頻率 (TOF) 為同等條件下Co催化劑的64倍. Co 4N催化劑的表觀活化能是43.3 kJ mol -1, 只有Co催化劑 (91.4 kJ mol -1) 的一半左右. 進一步的原位機理研究表明, 在H 2氛圍下, Co4N催化劑上的N原子會吸附結合H原子從而形成Co 4NH x這樣一種特殊的物相. Co 4NH x中的氨基H原子直接加到CO 2分子上形成HCOO*物種作為中間產物. 此外, 反應過程中吸附的H 2O分子通過氫鍵相互作用促進氨基H的活化和解離, 從而加速加氫過程. 該工作通過引入N原子, 為優化非貴金屬催化劑對CO 2加氫反應的活性提供了簡單有效的方式, 加深了對鈷基催化劑在CO 2加氫反應中活性物相的理解, 為今後尋找更廉價, 高效的CO 2加氫催化劑提供了新思路.
研究工作得到了中科院前沿科學重點研究項目, 國家重大科學研究計劃, 國家自然科學基金等的資助.
