CO_(2)加氢制甲酸理论研究及高效铁基催化剂设计北大核心CSCD

CO_(2)加氢制甲酸由于需同时活化惰性氢气及CO_(2)而富有挑战性,同时此过程原子经济性100%,具有很好的理论和现实研究价值,但文献中报道的活性较好的催化剂均为贵金属催化剂.为了开发活性更高的用于CO_(2)加氢制甲酸的铁基催化剂,我们采用理论计算方法研究了12种不同种类的PNP-Fe(PNP=2,6-(二-叔丁基-磷甲基)吡啶)化合物催化CO_(2)加氢制甲酸的过程.理论研究结果表明,CO_(2)加氢制甲酸反应过程包括H2活化及CO_(2)插入金属氢键两个步骤,H_(2)活化过程是整个反应的速控步骤.催化剂吡啶环上进行P原子取代可以显著降低H_(2)活化能垒.基于以上发现,我们设计了一种新颖的高效铁基催化剂,使用此催化剂催化CO_(2)加氢制甲酸反应,速控步骤能垒只有85.6 kJ/mol,催化活性与贵金属的比较接近.我们研究的12种铁基催化剂速控步骤能垒范围为85.6~126.4 kJ/mol,显示了配体良好的调控催化活性能力.     

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。     

CO_2加氢催化剂Cu/ZrO_2/SiO_2上Zr(IV)表面位对甲醇生成速率的影响（英文）

Cu/ZrO_2/SiO_2是有效的CO_2选择加氢制甲醇催化剂.为了理解混合氧化物基催化剂中ZrO_2的作用,在Cu和Zr的K边进行了原位X-射线吸收光谱测试.在反应条件下, Cu保持金属态,而Zr以三类配位环境的形式存在:体相ZrO_2,配位饱和的、以及不饱和的Zr(Ⅳ)表面位.配位不饱和Zr表面位可通过线性拟合参比的X射线吸收近边结构光谱进行定量,发现其数量与甲醇生成速率有关,因而表明Zr(Ⅳ)Lewis酸表面位在驱动选择生成甲醇反应中的重要性.这与提出的机理是一致的:在裂解H_2的Cu纳米颗粒与稳定反应中间体的Zr(Ⅳ)表面位之间的界面上进行CO_2加氢.     

高分散Ru/FeO_x催化剂在二氧化碳选择加氢反应中的应用及其催化活性的调控（英文）

由于化石能源的大量开采和利用造成CO_2过度排放,从而导致严重的温室效应和气候环境问题,给人类生存带来极大威胁.CO_2选择加氢反应可以将CO_2催化加氢生成高附加值的CO产物.与其他的CO_2转化反应策略相比,该过程中H2的消耗更少,成为可有效处理及转化CO_2的手段之一.同时,应尽可能抑制CO_2深度加氢以及甲烷的产生,研制及设计具有高CO选择性的新型高效催化剂及其构效关系的分析仍十分重要.据报道,负载型贵金属基催化剂的使用有利于H2分子的活化,具有优异的催化活性,因而广泛应用于多种催化反应中.然而,贵金属催化剂实现工业应用的最大挑战是资源的限制及其高额的成本.近年来,由贵金属制备的负载型亚纳米团簇受到广泛关注,主要包括如Au,Pt,Pd,Ru等贵金属,可有效应用于多相催化反应.人们还致力于提高负载型亚纳米团簇的分散度,促进催化剂活性位点的有效暴露,有利于大幅度提高催化剂的有效利用率.本文采用共沉淀法成功制备了超高分散的负载型Ru基催化剂,通过CO_2选择加氢-程序升温表面反应(TPSR)和质谱联用技术测试了催化剂性能,发现CO_2加氢反应生成CO选择性达100%.采用XRD,BET和TEM等方法对催化剂结构进行表征,并结合H2-TPR,H2-TPD和XPS等表征结果深入探讨了催化剂构效关系,并提出了针对该催化剂体系较为合理的反应模型.在CO_2选择加氢反应的催化性能测试中,2.50%Ru/FeO_x催化剂对目标产物CO选择性仅为41%;随着Ru负载量降低至0.25%和0.1%时,CO选择性明显提高至80%;当进一步降低Ru含量至0.01%时,CO选择性接近100%,且表现出优异的反应速率-.在360 oC时,0.01%Ru/FeO_x催化剂的相对反应速率为7.71 mol_(CO_2) mol_(Ru)~(-1) min~(-1),是2.50%Ru/FeO_x催化剂相对反应速率的154倍.H_2-TPR结果表明,贵金属Ru可以明显促进载体FeO_x的还原,并产生丰富的氧空位,进而促进CO_2的吸附、活化.而且CO_2选择加氢TPSR结果显示,目标产物CO的起始生成温度总是滞后于原料H2的初始活化温度,与H_2-TPR结果及文献报道的CO_2选择加氢反应机理一致.通过H_2-TPD深入理解H2在催化剂表面的活化和氢溢流现象,以及Hads与不同催化剂之间的相互作用力,0.01%Ru/FeO_x催化剂相对较高的H2脱附峰温度表明,该样品中Ru与Hads具有极强的相互作用力,相对抑制了Hads与COads深入加氢生成CH_4,从而提高了CO选择性,而2.50%Ru/FeO_x催化剂的情况则与此相反.本文提出了从Hads吸附作用力强弱来考虑CO_2选择加氢反应选择性的新思路,同时为设计CO_2选择加氢制高附加值CO的高催化反应速率、高CO选择性的高分散Ru基催化剂提供了一种经济简易的催化剂设计思路.     

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.     

CO2＋H2制含氧化合物的研究

作为自然界中含有丰富碳源的CO_2,经过催化加氢制含氧化合物的研究,近年来为人们所关注,特别是CO_2加氢制甲醇.从CO_2出发制含氧化合物其前景是诱人的,则可利用碳和氧得到化学品,二则减少了自然界中的CO_2含量,有益于环境保护.本文对Cu-Zn系和Rh-V系催化剂进行初步考察.     

碳酸乙烯酯选择加氢合成甲醇与乙二醇高效稳定Cu/SiO_2催化剂研究（英文）

CO_2作为重要的碳氧资源,具有来源丰富、价格低廉、安全等突出优点.近年来,由于蕴含的巨大利用潜力,CO_2间接利用制备基础化学品、能源燃料对于可持续制备大宗化工品中具有重要研究意义,日益受到研究者和工业界的广泛重视.甲醇与乙二醇是化学工业中的两种重要大宗原料.甲醇不仅是重要的有机化工原料、清洁环保的液体燃料,同时也是氢气和能量储存的良好载体.乙二醇作为一种重要的有机化工原料,在聚酯等领域具有广泛应用.CO_2经碳酸乙烯酯氢解制备甲醇/乙二醇是典型的原子经济反应,对资源、能源和环境的可持续发展具有重要意义.需要指出的是,CO_2与环氧乙烷环加成制备碳酸乙烯酯已具备成熟的工业化技术.因此,该路线研究重点在于发展碳酸乙烯酯选择加氢联产甲醇和乙二醇高效稳定的催化体系.近年来,铜基多相催化剂催化碳酸乙烯酯加氢联产甲醇乙二醇得到了广泛重视.由于铜基催化剂存在活性较低、高温易失活等问题,开发高效且具有良好稳定性的铜基催化剂是目前碳酸乙烯酯加氢研究重点.本文针对碳酸乙烯酯选择氢解合成甲醇乙二醇新型铜基催化体系构建和构效关系研究,采用硅溶胶蒸氨法制备高分散Cu/SiO_2过程中引入多羟基β-环糊精修饰催化剂前驱体的合成策略,并通过惰性气体中煅烧后的积碳有效抑制活性铜物种的团聚,获得了β-环糊精改性的Cu/SiO_2催化剂.通过N_2吸脱附、XRD、N_2O滴定、H_2-TPR、TEM和XPS等系统表征,发现β-环糊精可有效调控催化剂结构和表面不同价态活性铜物种分布.碳酸乙烯酯加氢性能评价结果表明引入适量β-环糊精的5β-25%Cu/SiO_2具有较优催化活性,乙二醇选择性98.8%和甲醇选择性71.6%,且相应的催化活性可达1178 mgEC g_(cat)~(–1) h~(–1).高活性的原因很可能归因于不同价态Cu~0与Cu~+物种协同催化作用及适宜的Cu~+/(Cu~0+Cu~+)比例.结合密度泛函理论模拟计算,我们提出了Cu~0促进氢气解离、Cu~+吸附活化碳酸乙烯酯分子中酯羰基的反应机理.催化剂重复使用和表征结果表明,5β-25%Cu/SiO_2具有良好的稳定性,使用前后铜粒子大小和铜物种分布几乎未发生明显变化.本文为解决铜基催化剂高温易烧结等难题提供了简单有效的活性铜物种稳定化方法,并为CO_2经碳酸乙烯酯绿色合成甲醇、乙二醇高效稳定铜基催化新体系的构筑提供了有益借鉴.     

Ni/Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2界面催化CO_2甲烷化密度泛函理论研究

将温室气体CO_2催化加氢转化为CH_4,有利于碳资源化利用和减轻环境污染,是具有一定现实意义的模型化反应.实验发现,氧化物负载型催化剂对CO_2甲烷化过程展现出较高的催化活性和稳定性,但其催化机理和界面作用机制并未得到清楚认识.基于DFT+U计算方法,本文系统研究了复合氧化物Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2负载Ni体系催化CO_2甲烷化复杂基元过程.结果表明,在Ni/Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2(110)体系中,CO_2甲烷化反应涉及CO_2分解和甲酸盐两条途径,且CO_2的分解途径占主导地位,整个反应的控制步骤为CO_2吸附过程.产物甲烷是由界面上CO_2解离加氢产生的CH基团进一步在金属Ni活性位上加氢生成,揭示了该催化体系中载体与负载物之间存在协同催化作用,即载体界面主要发生碳氧化物的脱氧加氢,碳氢中间物种的加氢反应在Ni上发生.     

不同条件制备的甲醇合成催化剂CuO/ZnO的活性与铜表面积的关系

共沉淀法制备的CuO/ZnO催化剂,用于二氧化碳加氢低压甲醇合成已有不少报导;但对催化剂制备中的一些重要环节探索不多,尽管Pan等研究过共沉淀时溶液的pH值不同,对所制的CuO/ZnO催化剂的铜表面积和合成甲醇(由一氧化碳加氢合成甲醇)活性的影响很显著.目前一般均采用1mol/L Na_2CO_3滴加到硝酸铜和硝酸锌混合溶液中,至pH值达8.2左右,但对滴加1mol/L Na_2CO_3的速度快慢对催化剂性能的影响尚未研究过;另外催化剂CuO/ZnO中的ZnO可以以粉末氧化锌和硝酸锌引     

ZrO_2对CuO-ZnO-ZrO_2催化剂低压合成甲醇的促进作用

我们曾报道CO_2/H_2在CuO-ZnO及CuO-ZnO-ZrO_2催化剂上低压合成甲醇的反应,指出CuO-ZnO-ZrO_2对CO_2/H_2制甲醇具有较高的活性和选择性。本文通过TPD-MS测试研究了第3组分ZrO_2的加入对CO_2/H_2在CuO-ZnO-ZrO_2催化剂上低压合成甲醇的促进作用。 1 实验部分 催化剂的评价在恒压流动反应系统内进行。用色谱仪分析产物(Porapak Q柱,4 mm×3m,柱温120℃,CO、CO_2、CH_3OH、H_2O的保留时间分别为0.55、0.84、4.72、6.6 min),热     

CO对CO2加氢合成甲醇的影响

甲醇是重要的有机化工原料，同时它也已被确认为尾气污染少、辛烷值高的汽、柴油接烧的洁净燃料和大功率燃料电池的燃料[1]．随着世界石油贮量的枯竭，甲醇汽车将快速发展，所以CO2加氢合成甲醇具有广阔的应用前景和深远的理论意义．铜基催化剂上CO2加氢主要存在二个竞争反应[2     

超细Cu-ZnO-ZrO2催化剂上甲醇合成的TPSR和TPD研究

采用ＭＳ－ＴＰＳＲ和ＭＳ－ＴＰＤ技术在不同粒度的超细Ｃｕ－ＺｎＯ－ＺｒＯ２催化上考查了ＣＯ２和ＣＯ加氢合成甲醇的反应过程和吸附活化特征。研究表明,ＣＯ２和ＣＯ都可以直接加氢合成甲醇。     

CO2／H2和（CO／CO2）＋H2低压合成甲醇催化过程的本质

通过在Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３催化剂上ＣＯ２＋Ｈ２，ＣＯ＋Ｈ２和（ＣＯ／ＣＯ２）＋Ｈ２催化反应动力学研究对合成甲醇动力学和反应机理进行了细致分析，提出合成甲醇的反应机理，解释了在（ＣＯ／ＣＯ２）＋Ｈ２合成甲醇过程中少量ＣＯ２的作用及合成甲醇的直接碳源。     

HYDROGENATION OF CO_2 OVER ULTRAFINECuO-ZnO-SiO_2 CATALYST-REACTION CONDITIONS AND MECHANISM

IntroductionAsoncofthemostabundantandcheapestcarbonsourccs,Co2u,ithsteadilyincreasingconcentrationintheatmospherenotonlyleadstothelossofcarbonsource,butalsocausesgrccnhouseeffects.Recently,Co2wastestedasafecdstockformcthanolproductionovcrdiffcrentcatalystsclse.'hcrell'21,butmostofthesecatalystswerebasedonthecombinationofcoppcrandzincandpreparedbycoprecipitation,ioncxchangcor'l3'4]Accordingtoextensivestudiesaboutsupports,SiO2wasoncoftheimpregnationl3'4]Accordingtoextensivestudiesaboutsupport…     

First-Principles Microkinetic Study of Methanol Synthesis on Cu(221) and ZnCu(221) Surfaces

First-principle based microkinetic simulations are performed to investigate methanol synthesis from CO and CO₂ on Cu(221) and CuZn(221) surfaces. It is found that regardless of surface structure, the carbon consumption rate follows the order:CO hydrogenation > CO/CO₂ hydrogenation > CO₂ hydrogenation. The superior CO hydrogenation activity mainly arises from the lower barriers of elementary reactions than CO₂ hydrogenation. Compared to Cu(221), the introduction of Zn greatly lowers the activity of methanol synthesis, in particularly for CO hydrogenation. For a mixed CO/CO₂ hydrogenation, CO acts as the carbon source on Cu(221) while both CO and CO₂ contribute to carbon conversion on CuZn(221). The degree of rate control studies show that the key steps that determine the reaction activity of CO/CO₂ hydrogenation are HCO and HCOO hydrogenation on Cu(221), instead of HCOOH hydrogenation on CuZn(221). The present work highlights the effect of the Zn doping and feed gas composition on methanol synthesis.     

助剂促进的Rh-Fe/Al_2O_3催化剂上CO加氢制乙醇反应性能

考察了Fe,Rh载量以及助剂对Rh-Fe/Al2O3催化剂上合成气制乙醇反应性能的影响.结果表明,随着Fe载量的增加,甲醇选择性持续上升伴随着甲烷选择性的持续下降,而乙醇选择性有最优值.助剂的添加或多或少促进了甲醇耦合、CO插入和解离的活性,或抑制了催化剂加氢能力,使得乙醇选择性有所上升,甲醇选择性有所下降,而烃类选择性变化不大.随着CO加氢反应的进行,Rh-Fe/Al2O3催化剂上烃类选择性逐渐下降,但甲醇的生成活性逐渐上升,而乙醇选择性和生成活性逐渐下降;然而,助剂的添加并未提高催化剂的稳定性.这可能是由于在反应过程中Fe物种逐渐被合成气还原使得乙醇生成活性位数量逐渐减少所致.     

CO2加氢合成甲醇催化反应中CO的作用

研究了铜基催化剂上CO₂加氢合成甲醇反应中掺人CO的作用,结果表明,在原料中添加少量CO,甲醇的选择性提高38%,收率提高25%;TPD-MS和TPSR-MS结果表明,CO能抑制催化剂表面起逆水汽变换作用的活性位对CO₂的吸附,从而提高了CO₂加氢合成甲醇的选抒性.     

Adaptation of Cu/ZnO/Al_2O_3 to Temperature Change in Methanol Synthesis from CO_2 Hydrogenation

The induction behavior in CO2 hydrogenation was studied by varying the reaction temperature to investigate the adaptation of the Cu/ZnO/Al2O3 catalyst to the temperature change. The results indicated that a used catalyst had a tendency to keep the last running state in new reaction conditions for MeOH formation, and that this tendency was related to the difference in Cu/Cun+ ratio caused by CO2 and CO produced at different reaction temperatures. However, the reverse water-gas shift reaction (RWGS) induced at four temperatures was completely different from that of methanol synthesis. It implied that the two so-called competitive reactions in CO2+H2, RWGS and methanol synthesis, have different active centers.     

New process of low-temperature methanol synthesis from CO/CO_2/H_2 based on dual-catalysis

A new process of low-temperature methanol synthesis from CO/CO2/H2 based on dual-catalysis has been developed. Some alcohols, especially 2-alcohol, were found to have high catalytic promoting effect on the synthesis of methanol from CO hydrogenation. At 443 K and 5 MPa, the synthesis of methanol could process high effectively, resulting from the synergic catalysis of Cu/ZnO solid catalyst and 2-alcohol solvent catalyst. The primary results showed that when 2-butanol was used as reaction solvent, the one-pass average yield and the selectivity of methanol, in 40 h continuous reaction at temperature as low as 443 K and 5 MPa, were high up to 46.51% and 98.94% respectively. The catalytic activity was stable and the reaction temperature was 80 K or so lower than that in current industry synthesis process. This new process hopefully will become a practical method for methanol synthesis at low temperature.     

Synthesis of Dimethyl Ether from CO Hydrogenation： a Thermodynamic Analysis of the Influence of Water Gas Shift Reaction

Three reactions involved in dimethyl ether (DME) synthesis from CO hydrogenation: methanol synthesis reaction (MSR), methanol dehydration reaction (MDR) and water gas shift reaction (WGSR) are studied by thermodynamic calculation. For demonstrating this process in detail, three models, MSR,MSR MDR, MSR MDR WGSR, are used. Their basic characteristics can be obtained by varying widely the ratios of H2 to CO in the feed (no CO2). Through thermodynamic analysis a chemical synergic effect obviously exists in the second and third models. By comparison between two models it is found that WGSR plays a special role in dimethyl ether synthesis. It is possible for the two models to shift one to the other by regulating CO2 concentration in feed. For Model 2, the selectivity for DME in oxygenates (DME methanol) does not change with the ratio of H2 to CO.