铁基催化剂在COx加氢制高附加值烃反应中的应用

化石燃料的广泛使用导致大气中CO₂的排放量急剧增加,进而引起全球变暖和海洋酸化等一系列问题.CO加氢(费托合成)反应是利用非石油来源的原料生产液体燃料和化学品的一种重要途径.同时,利用可再生的H₂将CO₂转化为高附加值的产品有利于减少对化石燃料的依赖,减轻由于大气中CO₂浓度过高带来的负面影响.开发新型、高效、稳定的催化剂是费托合成和CO₂加氢制高附加值烃的关键因素之一.Fe基、Co基和Ru基催化剂是费托合成中常用的催化剂.而在CO₂加氢反应中,Co基和Ru基催化剂上主要发生甲烷化反应,几乎没有长链烃生成.Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应中均表现出优异的催化生成长链烃性能.同时,Fe储量丰富和价格便宜的特点也促进Fe基催化剂在两个反应中的广泛应用.一般认为,在Fe基催化剂上CO₂通过逆水煤气变换反应生成CO,CO通过费托合成反应继续加氢生成烃类.因此,CO₂加氢反应和费托合成反应有相似之处,同时也有较大的区别.本文从活性相、助剂和载体的角度综述了各组分在Fe基催化剂催化CO/CO₂加氢反应中的作用,总结了其中的区别与联系.催化剂在反应中会发生复杂的相变过程,形成多种铁物种;其中,碳化铁(χ-Fe₅C₂,ε-Fe₂C,Fe₇C₃和θ-Fe₃C)在费托合成反应中是C-C偶联的活性相,但对于θ-Fe₃C现还存在一些争议.在CO₂加氢反应中Fe₃O₄催化逆水煤气变换反应,碳化铁催化CO加氢反应.金属助剂对CO/CO₂加氢反应的促进作用较为相似,在两个反应中碱金属的促进作用最为明显.费托合成反应对载体有较强的适应性,而CO₂加氢反应对载体敏感性较强,Al₂O₃,ZrO₂和碳材料载体效果较好.本文还总结了近些年来基于对活性相、助剂和载体的深入理解设计制备的一些新型催化剂及其在费托合成和CO₂加氢反应中的应用,包括具有新颖结构的催化剂、金属-有机骨架衍生催化剂以及与沸石分子筛结合的双功能催化剂.最后,还分析了目前Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应应用中所面临的问题和挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.     

铁基催化剂在COx加氢制高附加值烃反应中的应用

化石燃料的广泛使用导致大气中CO₂的排放量急剧增加,进而引起全球变暖和海洋酸化等一系列问题.CO加氢(费托合成)反应是利用非石油来源的原料生产液体燃料和化学品的一种重要途径.同时,利用可再生的H₂将CO₂转化为高附加值的产品有利于减少对化石燃料的依赖,减轻由于大气中CO₂浓度过高带来的负面影响.开发新型、高效、稳定的催化剂是费托合成和CO₂加氢制高附加值烃的关键因素之一.Fe基、Co基和Ru基催化剂是费托合成中常用的催化剂.而在CO₂加氢反应中,Co基和Ru基催化剂上主要发生甲烷化反应,几乎没有长链烃生成.Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应中均表现出优异的催化生成长链烃性能.同时,Fe储量丰富和价格便宜的特点也促进Fe基催化剂在两个反应中的广泛应用.一般认为,在Fe基催化剂上CO₂通过逆水煤气变换反应生成CO,CO通过费托合成反应继续加氢生成烃类.因此,CO₂加氢反应和费托合成反应有相似之处,同时也有较大的区别.本文从活性相、助剂和载体的角度综述了各组分在Fe基催化剂催化CO/CO₂加氢反应中的作用,总结了其中的区别与联系.催化剂在反应中会发生复杂的相变过程,形成多种铁物种;其中,碳化铁(χ-Fe₅C₂,ε-Fe₂C,Fe₇C₃和θ-Fe₃C)在费托合成反应中是C-C偶联的活性相,但对于θ-Fe₃C现还存在一些争议.在CO₂加氢反应中Fe₃O₄催化逆水煤气变换反应,碳化铁催化CO加氢反应.金属助剂对CO/CO₂加氢反应的促进作用较为相似,在两个反应中碱金属的促进作用最为明显.费托合成反应对载体有较强的适应性,而CO₂加氢反应对载体敏感性较强,Al₂O₃,ZrO₂和碳材料载体效果较好.本文还总结了近些年来基于对活性相、助剂和载体的深入理解设计制备的一些新型催化剂及其在费托合成和CO₂加氢反应中的应用,包括具有新颖结构的催化剂、金属-有机骨架衍生催化剂以及与沸石分子筛结合的双功能催化剂.最后,还分析了目前Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应应用中所面临的问题和挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.     

金属-有机框架材料在光催化二氧化碳还原中的应用

CO₂的过度排放导致全球环境问题日益严重,如何将CO₂有效地利用起来成为全世界的研究热点。相比于高耗能的CO₂捕获和储存(CCS)技术,通过催化反应将CO₂转化为有价值的能源燃料是同时解决能源危机和环境问题的有效途径。其中,使用太阳能作为能量来源的光催化CO₂还原技术更具应用前景。但是目前CO₂光还原催化剂仍然存在很多缺点,如可见光响应能力低、光生电子空穴对复合严重、CO₂吸附量小、产物的选择性低以及在含水环境中的产氢竞争反应等。金属-有机框架(MOFs)是由金属离子/簇和有机配体构成的一类独特的多孔晶态材料,具有可调的多孔结构、电子迁移速度快、CO₂吸附量大等优点,在光催化CO₂还原领域具有广阔的应用潜力。现有方法主要是通过对MOFs的功能化修饰、与其他功能型材料复合等获得高效的光还原CO₂的催化性能。本文主要对近年来MOFs基CO₂光还原催化剂(单一MOFs、MOFs基复合材料以及MOFs衍生材料)的研究现状进行了分析和讨论,并对MOFs材料在光催化CO₂还原中的发展趋势进行了展望。     

多孔骨架固定分子催化剂催化CO2加氢制备甲酸研究进展

近年来, 大气中CO₂含量急剧增加, 导致了严重的温室效应. 将CO₂作为C1资源转化为燃料或精细化学品引起了越来越多的关注. 开发高效、 稳定、 可回收利用的催化剂成为CO₂资源化利用的关键. 在众多的CO₂加氢催化剂中, 功能性多孔骨架材料固定型分子催化剂展示出优异的性能, 成为研究的热点之一. 功能性骨架材料, 如多孔有机聚合物(POPs)、 共价有机骨架(COFs)和金属有机骨架(MOFs), 具有比表面积大、 热稳定性高和可调性等特点, 在设计合成催化剂方面发挥着重要作用. 本文介绍了POPs/COFs/MOFs多孔骨架材料固定分子催化剂的开发及在催化CO₂合成甲酸领域的最新进展.     

金属有机框架材料的制备及在吸附分离CO2中的应用

金属有机框架（MOFs）材料是当今的研究热点之一,是一类颇有潜力成为适用于CO₂吸附和分离的重要材料。本文从MOFs的发展及其所具有的特点、MOFs用于CO₂的吸附与分离所取得的突破性进展以及MOFs的传统合成及绿色制备方法三个方面展开论述。主要论述了MOFs适用于CO₂吸附的原理,及其相对于传统的CO₂吸附材料所具有的特点和优势,亦阐述了MOFs修饰与调变的方法。列出了MOFs用于单组分CO₂吸附及CO₂/CH₄、CO₂/N₂吸附分离的结果。同时,针对传统MOFs制备方法不适宜大规模CO₂捕集材料的生产,特别论述了机械化学合成法和新兴的潮湿矿物风化法,其均具有绿色化、无溶剂、低能耗和简单等特点,是一类较有研究价值和应用潜力的技术。随着温室效应和不可再生石化燃料的消耗等环境和能源问题的日趋严峻,研究及开发适用于CO₂捕集与封存技术的MOFs新材料迫在眉睫,且任重而道远。     

基于碳化钼材料CO2加氢制备高附加值化学品的热催化研究进展(英文)

CO₂加氢对于CO₂转化制备高附加值化学品和燃料以实现二氧化碳利用及能源储存至关重要。CO₂加氢包括甲烷化、逆水煤气变换、甲醇化和CO₂直接费托合成等。碳化钼,尤其是其二维材料,由于其低成本和良好的性能而备受关注。在CO₂加氢反应中,由于碳的渗入,导致晶格膨胀以及价电子增加,碳化钼基催化剂展现出了类似于贵金属催化剂的性质。碳化钼可以通过程序升温渗碳法、选择性蚀刻法、机械合金合成法、化学气相沉积法、原位热渗碳法以及溶液相合成法等来制备。到目前为止,学者已经对基于碳化钼的材料的CO₂转化进行大量研究,这些材料具有良好的CO₂转化活性和对目标产物的选择性。碳化钼材料的催化性能可以通过调节碳化钼中的C/Mo比、在碳化钼与负载金属之间建立强的金属-载体相互作用以及调整材料的界面结构来实现。然而,基于碳化钼的热催化CO₂转化仍处于初级阶段。本文综述基于碳化钼的热催化CO₂加氢制备高附加值化学品和燃料的研...     

ZnZrOx固溶体催化剂表面羟基在CO2加氢制甲醇中的作用(英文)

CO₂大量排放导致的全球气候变化对人类社会的发展造成不利影响,控制CO₂排放是摆在全人类面前的一项紧迫任务.利用太阳能等可再生能源获得的绿氢将CO₂转化为以甲醇为代表的燃料和化学品,即太阳燃料合成,不仅能够实现CO₂的减排利用,而且能够将可再生能源储存于液体燃料,对缓解全球气候变化和能源危机具有重要的战略意义.CO₂加氢制甲醇是衔接当下化石能源时代和未来可再生能源时代的重要桥梁,亦是实现碳达峰、碳中和目标切实可行的路径之一.高效、稳定的CO₂加氢制甲醇催化剂是实现这条路径的关键因素.在众多催化剂中,以ZnZrO_x为代表的固溶体催化剂因具有高甲醇选择性、良好热稳定性、可抗硫中毒特性而备受关注.因此,设计和开发更高效的ZnZrO_x固溶体催化剂对于CO₂加氢制甲醇规模化应用尤为重要.本文分别利用蒸氨法和共沉淀法制得了相同组成的ZnZrO_x固溶体催化剂,并用于催化CO_...     

费托合成铁基催化剂中Fe3O4含量对CO2选择性的影响

本研究以共沉淀法制备的α-Fe₂O₃催化剂为前驱体，通过调变碳化温度和碳化时间制备了不同物相组成的系列催化剂，采用XRD、M?ssbauer谱、XPS和Raman光谱等技术考察了催化剂体相和表面物相组成，在此基础上研究了不同条件下(不同CO转化率和H₂O分压)催化剂的物相组成与催化剂性能之间的关系，重点探究了费托合成条件下CO₂生成的活性相。结果表明，升高碳化温度和延长碳化时间有利于Fe₃O₄向碳化铁转变。在典型的费托合成条件下，催化剂的活性受到碳化铁含量和积炭程度的共同影响。当H₂O分压较低时，动力学因素限制了水煤气变换(WGS)反应的进行，CO₂选择性仅受CO转化率的影响，Fe₃O₄含量变化对CO₂选择性无明显影响；而在较高的H₂O分压下，随着催化剂中Fe₃O₄含量增加，CO     

二氧化碳加氢制甲醇多相催化剂研究进展

化石燃料的利用为人类社会带来了前所未有的繁荣和发展. 然而, 化石燃料燃烧引起的过量的二氧化碳(CO₂)排放导致全球气候变化和海洋酸化; 而且作为一种有限的资源, 化石燃料的消耗将迫使人们寻找其它碳源以维持可持续的发展. 利用可再生能源获取电能分解水制得的绿色氢气(H₂)与捕集后的CO₂反应制成甲醇, 不仅能有效利用工业废气中多余的CO₂, 还能获取清洁、 可再生的甲醇化学品, 该过程的技术核心是开发高效稳定的CO₂加氢制甲醇催化剂. 本文综合评述了现有研究关注较多的多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂的反应机理和构效关系, 总结了目前多相催化CO₂加氢制甲醇催化剂(Cu基催化剂、 贵金属与双金属催化剂、 氧化物催化剂以及其它新型催化剂)的设计与合成方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

电催化CO2还原过程中非均相界面的动态行为(英文)

自工业革命以来, CO₂的过量排放导致了环境污染和气候变化,对人类可持续发展造成了极大的威胁.由可再生电力驱动的电催化CO₂还原反应(CO₂RR)技术可在较温和的条件下将CO₂转化为高附加价值的燃料和化学品,因而是一种有效的CO₂转换和利用的方法.尽管电催化CO₂RR已经取得了较大的研究进展,但其工业化应用依旧面临着许多挑战:CO₂RR的反应路径涉及多步电子-质子转移,其产物组分较复杂(包括C₁到C₃的产物),并且反应过程伴随着析氢反应(HER)副反应发生.此外,不同电催化剂的使用以及实验操作条件均对CO₂RR影响较大,导致目前CO₂RR催化剂性能尚不够理想,因而难以获得实际应用.为进一步开发性能良好的电催化CO₂RR体系,以及认识实际反应过程中催化体系真正的活性位点,理解电催化剂表面结构演变机制至关重要.本文综述了CO     

人工固碳技术—热催化还原CO_(2)催化剂的研究进展北大核心CSCD

选择性加氢在功能材料合成和化学产品提纯等化工领域中有非常重要的应用,并且近年来为减少温室效应的影响,将CO_(2)催化选择性加氢转化成其他有应用价值的物质成为研究热点之一。其中热催化是应用较为广泛、易得到多种目标产物并且获得产品收率较高的方法。目前,利用CO_(2)多相热催化加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃等多种高价值的燃料和化学品已取得了一定进展,但仍存在一些难点问题,其中制备高效催化剂是催化加氢反应的关键问题之一。一直以来,研究人员致力于解决催化剂的活性和选择性问题,通过助剂掺杂和加入功能性载体对催化剂进行改性。针对这些问题,本文简要介绍了CO_(2)催化加氢的研究背景,总结了近5年来热催化CO_(2)加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃产品过程中使用催化剂的种类及对加氢反应的影响,期望为CO_(2)多相催化加氢中新型催化剂的开发提供参考。     

二氧化碳多相催化加氢制C2及以上烃类和醇的研究进展

通过可再生能源得到的氢气将二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学品,对于缓解全球变暖、改善生态环境和解决化石资源日益枯竭的难题具有重要的意义。通过加氢反应合成碳氢化合物,尤其是C₂₊烃类和含氧化合物愈来愈引起大家的研究兴趣。设计制备兼具二氧化碳活化和碳-碳键耦合的多功能催化剂仍然是一较大的挑战。本文总结了二氧化碳加氢合成长链烷烃、低碳烯烃、高级醇的最新研究进展,探讨了二氧化碳加氢所涉及的相关反应的热力学和动力学、反应机理和反应路径,并对现阶段报道的多相催化剂进行了归纳和分析,最后指出未来在二氧化碳加氢的多相催化过程中所面临的问题和发展方向。     

Pd基多相催化剂上CO2加氢反应的研究进展

随着二氧化碳(CO₂)排放量的不断增加, 全球变暖和气候变化的加剧对人类的生存环境产生了巨大的影响. CO₂作为廉价、 可再生的碳氧资源, 将其转化为高附加值化学品是绿色化学及能源领域的重要研究课题之一, 受到广泛关注. Pd基催化剂由于具有优异的加氢能力以及良好的抗烧结、 抗毒化性能, 作为CO₂催化转化最有前途的催化剂被广泛应用和研究. 本文主要对Pd基催化剂上CO₂加氢制备HCOOH, CO, CH₄和甲醇等小分子能源化合物的研究进展进行综合评述, 重点关注Pd基催化剂上CO₂分子的吸附/活化位点、 催化剂的金属-载体强相互作用及表界面组成等对催化剂活性和选择性的影响以及催化反应机理.     

基于单原子催化剂的二氧化碳选择性转化

Industrial revolution has led to increased combustion of fossil fuels. Consequently, large amounts of CO₂ are emitted to the atmosphere, throwing the carbon cycle out of balance. Currently, the most effective method to reduce the CO₂ concentration is direct CO₂ capture from the atmosphere and pumping of the captured CO₂ deep underground or into the mid-ocean. The transformation of CO₂ into high-value chemicals is an attractive yet challenging task. In recent years, there has been much interest in the development of CO₂ utilization technologies based on electrochemical CO₂ reduction, photochemical CO₂ reduction, and thermal CO₂ reduction, and CO₂ valorization has emerged as a hot research topic. In electrochemical CO₂ reduction, the cathodic reaction is the reduction of CO₂ to value-added chemicals. The anodic reaction should be the oxygen evolution reaction, and water is the only renewable and scalable source of electrons and protons in this reaction. There is a plethora of research on the use of various metals to catalyze this reaction. Among these, Cu-based materials have been demonstrated to show unique catalytic activity and stability for the electrochemical conversion of CO₂ to valuable fuels and chemicals. Moreover, the solar-driven conversion of CO₂ into value-added chemical fuels has attracted great attention, and much effort is being devoted to develop novel catalysts for the photoreduction of CO₂, especially by mimicking the natural photosynthetic process. The key step in the photocatalytic process is the efficient generation of electron-hole pairs and separation of these charge carriers. The efficient separation of photoinduced charge carriers plays a crucial role in the final catalytic activity. Compared with CO₂ reduction via electrocatalysis and photocatalysis, thermal reduction is more attractive because of its potential large-scale application in the industry. Heterogeneous nanomaterials show excellent activity in the electrocatalytic, photocatalytic, and thermal catalytic conversion of CO₂. However, nanostructured materials have drawbacks on the investigation of the intrinsic activity of the active sites. In recent years, single-site catalysts have become popular because they allow for maximum utilization of the metal centers, show specific catalytic performance, and facilitate easy elucidation of the catalytic mechanism at the molecular level. Accordingly, numerous single-site catalysts were developed for CO₂ reduction to produce value-added chemicals such as CO, CH₄, CH₃OH, formate, and C₂₊ products. Value-added chemicals have also been synthesized with the aid of amines and epoxides. This review summarizes recent state-of-the-art single-site catalysts and their application as heterogeneous catalysts for the electroreduction, photoreduction, and thermal reduction of CO₂. In the discussion, we will highlight the structure-activity relationships for the catalytic conversion of CO₂ with single-site catalysts.     

面向CO2电化学转化的铜基催化剂研究进展

Burning of fossil fuels increases CO₂ concentration in the atmosphere, resulting in a series of climate- and environment-related concerns such as global warming, sea-level rise, and melting of glaciers. Therefore, utilization of renewable energy to reduce the CO₂ concentration, in order to realize a sustainable development, is urgent. Capturing and utilizing CO₂, a greenhouse gas, can not only address these concerns but also alleviate the current scenario of energy shortage. Thermal catalytic CO₂ hydrogenation offers various pathways with high conversion efficiencies to produce fuels and industrial chemicals including CO, HCOOH, CH₃OH, and CH₄. However, CO₂ is chemically inert due to the highly stable C＝O bond. Thus, harsh reaction conditions such as high temperature and pressure are required for CO₂ hydrogenation.     

离子液体介导CO2化学转化研究进展

The efficient utilization of carbon dioxide (CO₂) as a C1 feedstock is of great significance for green and sustainable development. Therefore, the efficient chemical conversion of CO₂ into value-added products has recently attracted a lot of research attention in recent years. The transformation of CO₂ generally requires high-energy substrates, specific catalysts, and harsh reaction conditions due to its high thermodynamic stability and kinetic inertness. Consequently, several efforts have been dedicated toward the development of high-performance catalysts and new reaction routes for CO₂ conversion over the last few decades. To date, many routes of convert CO₂ into value-added chemicals have been proposed, together with the development of heterogeneous and homogeneous catalysts. Among the advanced catalysts reported to date, ionic liquids (ILs) have been widely investigated and show great potential for the efficient, selective, and economical conversion of CO₂ into highly valuable products under mild conditions, even under ambient conditions. Some task-specific ILs have been designed with unique functional groups (e.g., —OH, —SO₃H, —NH₂, —COOH, and —C≡N), which can act as the solvent, absorbent, activating agent, catalyst, or cocatalyst to realize the transformation of CO₂ under metal-free and mild conditions. In addition, a variety of catalytic systems composed of ILs and metal catalysts have also been reported for the transformation of CO₂, in which the combination of the IL and metal catalyst is responsible for CO₂ conversion with high efficiency. In this review article, we summarize the recent advances in IL-mediated CO₂ transformation into chemicals prepared via C—O, C—N, C—S, C—H, and C—C bond forming processes. ILs that can chemically capture CO₂ with high capacity are first introduced, which can activate CO₂ via the formation of IL-based carbonates or carbamates, thus realizing the transformation of CO₂ under metal-free and mild conditions. Recent progress in IL-mediated CO₂ transformations to form carbonates and various kinds of N- and S-containing compounds (e.g., oxazolidinones, ureas, benzimidazolones, formamides, methylamines, benzothiazoles, and other chemicals) as well as CO₂ hydrogenation to give formic acid, methane, acetic acid, low-carbon alcohols, and hydrocarbons has been summarized in this review with a focus on the reaction routes, catalytic systems, and reaction mechanism. In these reactions, ILs can simultaneously activate the substrate via strong H-bonding in addition to activating CO₂, and the cooperative effects among the ionic and molecular species and metal catalysts accomplish the reactions of CO₂ with various kinds of substrates to afford a wide range of value-added chemicals. Finally, the shortcomings and perspectives of ILs are discussed. In short, IL-mediated CO₂ transformations provide green and effective routes for the synthesis of high-value chemicals, which may have great potential for a wide range of applications.