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我所實現低溫、高效、長壽命二氧化碳催化加氫制甲醇
Data : 2021 - 03 - 29
   近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組(05T6組)鄧德會研究員團隊與廈門大學王野教授團隊合作,在二氧化碳(CO2)催化加氫制甲醇研究中取得重要進展,首次利用富含硫空位的少層二硫化鉬(MoS2)催化劑實現了低溫、高效、長壽命催化CO2加氫制甲醇,其活性與選擇性均顯著優于商品Cu/ZnO/Al2O3催化劑,并顯示出優異的穩定性。該催化劑為實現低能耗、高效率的CO2轉化利用開辟了新途徑。

  CO2的高效轉化利用對緩解能源危機以及實現“碳中和”目標具有重要的戰略意義。利用基于可再生能源的綠色氫氣(H2)與CO2反應制備甲醇是一條重要的途徑。傳統的金屬氧化物催化劑通常需要較高的反應溫度(>300oC)來催化CO2加氫制甲醇,往往伴隨著嚴重的逆水煤氣變換(RWGS)反應,導致產生大量副產物一氧化碳(CO)。在金屬氧化物催化劑中引入過渡金屬組分可以促進H2的活化從而降低反應溫度,但同時又容易導致CO2過度加氫到甲烷(CH4),從而降低甲醇的選擇性。金屬/金屬氧化物催化CO2加氫制甲醇體系中活性與選擇性的相互制約,嚴重限制了其低溫催化性能的提升。因此,為實現CO2低溫高效加氫制甲醇,亟需尋求新的催化劑體系。
  鄧德會團隊長期致力于二維催化材料與能源小分子轉化研究,前期在調控二維MoS2的催化活性上取得系列進展(Nat. Commun.,2020;Angew. Chem. Int. Ed.,2020;Nano Energy,2020;Nano Energy,2019;Chem. Rev.,2019;Nat. Commun.,2017;Energy Environ. Sci.,2015)。在此基礎上,該團隊與王野團隊合作研究發現,富含硫空位的少層MoS2可在低溫甚至室溫下將CO2和H2同時直接活化并解離,從而能夠高活性、高選擇性地催化CO2低溫加氫到甲醇,并有效抑制了甲醇的過度加氫。該催化劑在180oC下,CO2單程轉化率可達12.5%,同時甲醇選擇性可達94.3%,顯著優于商品Cu/ZnO/Al2O3催化劑以及此前報道的催化劑。此外,該催化劑的活性和選擇性在180oC下能夠穩定地維持3000小時而未見衰減,表現出了優異的工業應用潛力。原位表征與理論計算研究結果顯示,MoS2面內硫空位是催化CO2高選擇性加氫到甲醇的活性中心。該工作揭示了二維MoS2的硫空位在催化反應中的應用潛力,為開發CO2加氫新型催化劑提供了新思路。

  相關研究成果于3月22日發表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。此外,《自然-催化》同期還以“不同尋常的空位催化(Catalysis by Unusual Vacancies)”為題,刊發了專家的評述文章,對該工作進行了高度評價。上述工作得到了國家科技部重點研發計劃項目,國家自然科學基金基礎科學中心、重大項目,中科院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”,教育部能源材料化學協同創新中心(2011·iChEM)等項目的資助。

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