首页 > 行业资讯 > 【催化】加速催化剂表面分子交换促进催化水煤气变换反应

【催化】加速催化剂表面分子交换促进催化水煤气变换反应

时间：2023-02-12 来源： 浏览：

【催化】加速催化剂表面分子交换促进催化水煤气变换反应

X-MOL资讯
X-MOL资讯

X-molNews

“X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研，坚持“原创、专业、深度、生动”。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的最新论文，支持个性化浏览。

收录于合集

长期以来，化石燃料一直是能源的主要来源且不可再生，并且其燃烧会排放大量的温室气体污染环境，进而加剧全球变暖。2021年我国提出“碳达峰、碳中和”的战略目标，因此发展替代的清洁能源刻不容缓。氢能作为一种可再生能源，燃烧热值高，并且其燃烧产物为水，是世界上最干净的能源，因此氢能被认为是21世纪最具发展潜力和最有前途的可持续新能源。 水煤气变换 （WGS）反应能够有效地将CO和 H 2 O转换为CO 2 和 H 2 ，其中CO 2 可以从气流中被分离出来得到纯净的 H 2 ，该反应是工业上大规模制氢的重要反应。近日， 山东大学 的 贾春江 教授课题组、 伦敦大学学院 的 Feng Ryan Wang （王峰） 副教授课题组和 北京大学 的 严纯华 院士课题组合作， 使用表面可以进行分子交换的层状稀土碳氧化物（ Ln 2 O 2 CO 3 ）负载非贵金属Cu，得到了一种既能高效解离 H 2 O分子又能及时排出产物CO 2 的高活性高稳定性WGS反应催化剂。
WGS反应是一个放热反应，低温有利于产氢，但同时受动力学限制，达不到理想效果，因此设计出低温活性优异的WGS反应催化剂成为研究者们的研究重点。在WGS反应中，催化剂表面存在CO 2 和 H 2 O分子的竞争性吸附，而 H 2 O的解离一般被认为是决速步。因此，实现CO 2 和 H 2 O的局部表面反应平衡对提高反应速率起着关键作用。对于常见的金属-氧化物负载型催化剂而言，在催化WGS反应过程中，催化剂表面容易吸附产物CO 2 分子形成碳酸盐物种，从而覆盖活性位点导致失活。因此，发展一种既可以高效解离水又可以有效解吸产物CO 2 分子的材料是十分必要的。

图1. DFT计算得到的 Sm 2 O 2 CO 3 结构示意图。图片来源： J. Am. Chem. Soc.
该团队探索并发现了一类层状稀土碳氧化物（ Ln 2 O 2 CO 3 , Ln = Sm, La…），这里以 Sm 2 O 2 CO 3 为例，密度泛函理论计算（DFT）结果（图1）表明 Sm 2 O 2 CO 3 呈现带正电荷的 Sm 2 O 2 2+ 层和带负电荷的C O 3 2− 层有序排列的结构。此外，在该结构表面吸附 H 2 O分子后会自发形成SmOOH物种，即 H 2 O发生解离产生了OH。因此，DFT计算表明 Sm 2 O 2 CO 3 表面对 H 2 O高度敏感，这对 H 2 O的解离和进一步的WGS反应至关重要。同位素气体交换的质谱实验结果（图2）进一步表明 H 2 O 18 在 Sm 2 O 2 CO 3 表面解离产生的* O 18 H可以取代表面的*C O 3 基团，并释放出CO 2 分子。而当吸附CO 2 对C O 3 2− 层进行补充之后，又继续进入下一循环。该实验结果表明该类材料表面具有自发解离 H 2 O产生羟基并与碳酸盐交换的能力，该交换能力既促进了 H 2 O分子的有效解离，又同时解决了因产物CO 2 吸附引起碳酸盐积累而导致催化剂失活的难题。

图2. Sm 2 O 2 CO 3 表面碳酸盐和羟基的互相取代过程。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

图3. 催化剂的形貌和催化性能。图片来源： J. Am. Chem. Soc.
在 Sm 2 O 2 CO 3 表面通过沉积沉淀法负载非贵金属Cu物种后，用于催化WGS反应，取得了优异的催化活性和稳定性（图3）。不同温度下的反应速率是传统氧化还原性氧化物CeO 2 负载Cu催化剂的5-6倍。这种独特层状结构的发现为WGS反应提供了“自清洁”的活性表面，为制备WGS反应的高活性催化剂提供了一种新策略，并且为稀土碳氧纳米材料在C1化学中的应用开辟了新的前景。
这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是山东大学博士研究生 周璐璐 。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Promoting Molecular Exchange on Rare-Earth Ox ycarbonate Surfaces to Catalyze the Water–Gas Shift Reaction
Lu-Lu Zhou, Shan-Qing Li, Chao Ma, Xin-Pu Fu, Yi-Shuang Xu, Wei-Wei Wang, Hao Dong, Chun-Jiang Jia*, Feng Ryan Wang*, and Chun-Hua Yan*
J. Am. Chem. Soc ., 2023 , 145 , 2252–2263, DOI: 10.1021/jacs.2c10326
导师介绍
贾春江
https://www.x-mol.com/university/faculty/12150
严纯华
https://www.x-mol.com/university/faculty/8634
点击“ 阅读原文 ”，查看  化学 • 材料  领域 所有收录期刊

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息