利用二氧化碳脱氢提高甲醇产量的新型催化剂

发布时间：2024-08-02 16:29:09 栏目：生活

导读 东京工业大学的科学家发现，将铜纳米颗粒封装在疏水性多孔硅酸盐晶体中，可显著提高通过 CO 2加氢合成甲醇所用的铜锌氧化物催化剂的催化...

东京工业大学的科学家发现，将铜纳米颗粒封装在疏水性多孔硅酸盐晶体中，可显著提高通过 CO 2加氢合成甲醇所用的铜锌氧化物催化剂的催化活性。创新的封装结构可有效抑制铜颗粒的热聚集，从而提高加氢活性并增加甲醇产量。这一突破为更有效地从 CO 2合成甲醇铺平了道路。



二氧化碳 (CO 2 ) 排放是全球变暖的主要原因，因此迫切需要采取减排措施。因此，人们越来越多地探索化石燃料(CO 2排放的主要来源)的替代品。甲醇是一种用途广泛且经济高效的燃料，是传统运输燃料的有前途的替代品。此外，为了减轻这些排放的影响，人们将注意力集中在 CO 2捕获和利用技术上。这些创新方法包括从大气中捕获 CO 2并将其转化为增值产品。在这些技术中，通过 CO 2加氢合成甲醇是一种特别有前途的方法。

对于通过 CO 2加氢合成甲醇，较低的反应温度是优选的，因为反应过程中会释放热量。因此，研究集中于开发在低温下表现出高活性的催化剂。铜锌氧化物 (Cu-ZnO) 基催化剂特别适用于此目的，因为它们能够形成 Cu-ZnO 界面，该界面将 CO 2结合并转化为甲酸盐中间体，进而促进甲醇的生产。增加该界面的表面积是提高产量的有效方法，这可以通过增加 Cu 纳米颗粒的分散性来实现。然而，Cu 纳米颗粒热不稳定，在催化剂制备和反应过程中会聚集，从而减少界面面积。此外，甲醇合成副产物水的形成加速了 Cu 的聚集并抑制了甲酸盐的形成。

为了解决这些问题，由东京工业大学材料与化学技术学院化学科学与工程系、Teruoki Tago 教授领导的研究小组开发了新型 Silicalite-1 (S-1) 封装的 Cu-ZnO 催化剂。Tago 解释说：“研究表明，将金属封装在二氧化硅或沸石等多孔载体中可有效缓解热聚集。因此，我们的重点转移到开发一种用于通过 CO 2加氢生产甲醇的新型高效铜基催化剂，特别强调将铜纳米颗粒封装在多孔材料中。”他们的研究于 2024 年 2 月 21 日在线发布，并于 2024 年 4 月 1 日正式发表在《化学工程杂志》第 485 卷上。欧盟通过其Horizo​​n2020框架和日本科学技术振兴机构通过SCICORP(Laurelin 项目)为该项目提供支持。

研究人员制备了两种催化剂，一种是Cu/S-1催化剂，其中铜通过浸渍法负载到疏水性S-1上;另一种是Cu@S-1催化剂，其中以铜层状硅酸盐(CuPS)粉末为金属源，将铜颗粒封装在S-1沸石中。Cu@S-1是通过还原溶解的CuPS粉末制备的。研究人员研究了CuPS前驱体溶解时间对催化剂性能的影响，发现不合适的溶解时间会显著影响铜颗粒的大小。对前驱体进行最佳溶解可得约2.4纳米铜颗粒封装在S-1中的催化剂，表现出最佳的催化活性。该催化剂比Cu/S-1表现出更高的加氢活性和甲醇产量。

为了进一步提高甲醇产量，通过浸渍法将 ZnO 添加到 Cu@S-1 中，形成具有细小 Cu 颗粒的 ZnO/Cu@S-1 催化剂。该催化剂表现出更高的活性，表明形成了 Cu-ZnO 界面。“我们的研究结果表明，S-1 的封装结构有效抑制了 Cu 颗粒的热聚集，同时促进了 Cu-ZnO 界面附近的水副产物的快速消除，从而增强了甲醇的合成”，Tago 说道。

总的来说，这项研究证明了创新封装方法制备高活性催化剂的有效性，为高效利用二氧化碳生产甲醇提供了一条有希望的途径。