近日,我所氫能與先進材料研究部碳資源小分子與氫能利用研究組(DNL1905組)孫劍研究員、葛慶杰研究員和位健副研究員團隊在二氧化碳(CO2)加氫合成烯烴研究中取得系列新進展。團隊分別通過構建Co–Fe合金碳化物催化劑體系和NaFeZr–MOR分子篩催化劑體系,實現了CO2催化加氫過程中低碳烯烴產物的高效合成,并揭示了該過程中催化劑活性位的動態演變歷程和動態限域效應。
在“雙碳”目標背景下,CO2催化加氫合成燃料和化學品是CO2資源化利用的重要途徑。烯烴是現代化學工業的基石,其中低碳烯烴(乙烯、丙烯和丁烯)更是基本的化工原料。傳統的烯烴合成方法主要依賴于化石資源,而CO2催化加氫合成烯烴則是一條綠色環保的路線。鐵基催化劑在CO2加氫反應中對烯烴合成具有較高的選擇性,其成本低廉,但活性較低且烯烴產物分布較寬,限制了其工業應用。因而,如何設計更有效的催化CO2加氫合成烯烴的催化劑已成為該領域中的研究熱點之一。
本系列工作中,團隊通過一系列表征手段系統闡述了Co–Fe雙金屬催化劑在CO2加氫過程中的動態結構演變歷程,揭示了反應過程中形成的χ-(CoxFe1-x)5C2合金碳化物相是該催化劑上烯烴生成的主要活性位;該物相的形成受到催化劑前驅體中Co/Fe組成和二者親密度的影響,其含量以及合金化程度對于烯烴的高選擇性合成至關重要;該催化劑可在高空速條件下實現較高的烯烴時空收率(1.8 g·gcat-1·h-1)。同時,團隊還通過設計NaFeZr–MOR復合催化劑,發現CO2加氫反應過程中低碳烯烴產物選擇性隨時間變化的現象,其本質是由催化劑中ZrO2載體和MOR分子篩的孔道對產物分子的動態限域效應引起的;反應過程中隨著分子篩孔道內輕質碳物種向重質碳物種的演化,孔道會逐步縮??;這抑制了C5+等較大烴類分子的擴散,而對低碳烴的擴散影響較小,從而提升了低碳烯烴選擇性。上述工作對于設計CO2加氫高效合成烯烴催化劑提供了新思路,加深了對催化活性位結構演變和限域效應的認識。
相關研究成果分別以“Elucidating the structural evolution of highly efficient Co–Fe bimetallic catalysts for the hydrogenation of CO2 into olefins”和“Dynamic confinement catalysis in Fe-based CO2 hydrogenation to light olefins”為題,先后發表在《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)上。上述工作的第一作者分別是我所DNL1905組碩士研究生劉娜和王林凱。上述工作得到國家重點研發計劃、中科院青促會、遼寧省興遼英才計劃等項目的資助。(文/圖 劉娜、王林凱、位?。?/p>
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122476;https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122506