CO2和环氧乙烷直接制备碳酸乙烯酯的研究进展

本文综述了利用CO₂和环氧乙烷（EO）直接催化合成碳酸乙烯酯（EC）的研究进展，详细讨论了各种催化剂活化EO和CO₂，完成环加成反应的催化机理，并展望了该领域的研究前景。     

均相催化体系对CO2与环氧化物耦合反应的研究进展

二氧化碳(CO₂)是造成温室效应的主要因素,同时也是集储量丰富、无毒和可再生等优点的C1资源。其与环氧化物的耦合反应具有高的原子经济性,产物环状碳酸酯作为高极性、低挥发性和良好生物降解性溶剂,可广泛应用于萃取剂、医药中间体和聚合物单体等研究方向。本文首先对CO₂与环氧化物耦合反应发生的机理进行了分析,然后鉴于均相催化体系易制备、高活性等优点,重点从设计思路、催化参数、催化效率等方面,系统综述了催化该耦合反应的不同均相催化体系。最后,总结了为实现均相催化体系可长久发展所必须逾越的阻碍和后续研究方向,希望能够为探索新型、高催化性能的催化体系提供一定的参考价值。     

热催化CO2加氢制乙醇的研究进展

CO₂的化学转化作为碳减排的有效手段受到了广泛关注,近年来,通过热催化工艺将CO₂加氢转化为乙醇已经取得了突破性的进展,但仍然存在乙醇选择性及产率低、副产物较多等问题。本工作对热催化CO₂加氢制取乙醇的研究进展进行了综述,主要评述了以分子筛、金属氧化物、钙钛矿、二氧化硅、有机框架及金属碳化物等为载体的催化剂应用,分析了不同金属间的协同作用对CO₂转化过程的影响以及各类活性物种的介入对于CO₂加氢制取乙醇反应的促进作用,总结出能够有效促进C–C键偶联以及CO₂吸附和活化的催化剂体系。在此基础上分析了影响CO₂加氢制取乙醇的各种因素,并对反应机理进行了讨论。该综述为CO₂加氢制备乙醇的催化剂设计、合成工艺条件优化以及催化机理的探究提供参考。     

CH3F与C2H3反应机理的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G(d,p)方法对CH3F与C2H3的反应体系进行了理论研究,获得了反应的势能面信息及可能的微观机理.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)水平上精确计算了各反应物种的单点能.结果表明,除抽提氢反应外,标题反应还存在抽提氟(R1)、消氟化氢(R2)、消氢(R3)和自由基形成(R4)四类反应.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311G(d,p)水平上,R1,R2,R3和R4反应的能垒分别是163.9,152.2,209.8和224.2kJ·mol-1,相应反应能为-56.6,-164.3,-2.7和-156.0kJ·mol-1,所有反应均放热,为热力学允许的反应.     

磺胺嘧啶银/超强碱协同催化CO2/醇耦合反应选择性制碳酸二甲酯

甲醇、CO₂和炔丙醇三组分耦合反应为合成绿色化学品碳酸二甲酯(DMC)提供了一种热力学有利新路径。本工作针对该方法中存在的DMC收率低、中间产物转化速率慢的问题,研究了炔烃衍生物α-单取代炔丙醇在耦合反应中对DMC收率及选择性的影响。发展了磺胺嘧啶银与超强碱协同催化串联反应策略,进一步提升了反应效率。考察了催化剂、共催化剂、催化剂用量、溶剂、温度、原料比、压力和时间等因素的影响规律。最优的条件下,DMC选择性达89.5%,收率55.6%。研究表明,炔丙醇的结构会显著影响反应进程,同时,磺胺嘧啶银与1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)的协同催化作用是高收率、高选择性获得DMC的关键因素。     

ZnCr2O4/ZSM-5@Silicalite-1优化CO2一步法加氢制芳烃反应选择性

本研究采用外延生长方法制备出核壳结构分子筛ZSM-5@Silicalite-1。相关表征结果显示,惰性Silicalite-1壳层均匀包覆在ZSM-5的外表面,调控了分子筛酸性质,特别是降低了外表面酸性,有利于改善芳烃分布。将ZSM-5@Silicalite-1与Zn-Cr氧化物耦合应用于二氧化碳加氢制芳烃的反应,轻质芳烃(苯、甲苯、二甲苯)在总芳烃中的占比从 ZnCr₂O₄/ZSM-5耦合体系的14.8%显著提高到33.5%。此外,Silicalite-1壳层的疏水性还可有效抑制逆水煤气变换副反应,降低CO的选择性。在优化的壳层厚度下,ZnCr₂O₄/ZSM-5@Silicalite-1耦合体系的芳烃时空收率较ZnCr₂O₄/ZSM-5体系提高了22%。     

ZnCr2O4/ZSM-5@Silicalite-1优化CO2一步法加氢制芳烃反应选择性

本研究采用外延生长方法制备出核壳结构分子筛ZSM-5@Silicalite-1。相关表征结果显示,惰性Silicalite-1壳层均匀包覆在ZSM-5的外表面,调控了分子筛酸性质,特别是降低了外表面酸性,有利于改善芳烃分布。将ZSM-5@Silicalite-1与Zn-Cr氧化物耦合应用于二氧化碳加氢制芳烃的反应,轻质芳烃（苯、甲苯、二甲苯）在总芳烃中的占比从ZnCr₂O₄/ZSM-5耦合体系的14.8%显著提高到33.5%。此外,Silicalite-1壳层的疏水性还可有效抑制逆水煤气变换副反应,降低CO的选择性。在优化的壳层厚度下,ZnCr₂O₄/ZSM-5@Silicalite-1耦合体系的芳烃时空收率较ZnCr₂O₄/ZSM-5体系提高了22%。     

密度泛函理论研究SiC与C2H4反应的产物通道

在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上研究了SiC与乙烯的单重态和三重态反应机理,优化得到了反应物、过渡态、中间体和产物的几何构型;通过振动分析对过渡态和中间体构型进行了确认。在CCSD(T)/cc-pVTZ水平上对计算得到的构型进行了能量校正。计算结果表明,SiC+C2H4反应在单重态和三重态条件下均可发生,其中单重态反应为主反应通道,1P5为主产物。     

CO/CO2一步法制备航空煤油的研究进展

CO/CO₂一步法制备航空煤油技术是石油基航空煤油重要的替代手段之一。目前,CO一步法制备航空煤油技术存在的主要问题是航空煤油组分C₈~C₁₆选择性不高。CO₂一步法制备航空煤油存在的问题是CO₂转化率低和C₈~C₁₆选择性不高。综述了近五年CO/CO₂一步法制备航空煤油用催化剂的研究进展。催化剂研究的重点在于主催化剂、载体和助催化剂。调变主催化剂、载体和助催化剂,有望得到理想的航空煤油组分。     

Ni-Co/TiO2增强CO2加氢反应性能的研究

通过浸渍-沉淀法合成负载型双金属催化剂Ni-Co/TiO₂,采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附(BET)对其晶型、形貌、组成、表面元素价态和比表面积进行表征.在CO₂加氢反应中,Ni-Co/Ti O₂催化剂在3 h反应时间内生成84.4μmol CH₄,相较于Ni/Ti O₂催化剂,其CH₄产量提高了46.3%.二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)测试结果证实,Co的引入能增强Ni-Co/Ti O₂对CO₂的吸附和活化,从而促进其加氢反应效率的提高.经过5次循环活性测试,Ni/Ti O₂的活性降低了20.5%,而Ni-Co/Ti O₂的活性仅仅降低了10.9%,这表明Co的引...     

自由基HO2与C2H2反应势能面的理论研究

应用量子化学从头计算和密度泛函理论(DFT)对HO2+C2H2反应体系的反应机理进行了研究.在B3LYP/6-311G**和CCSD(T)/6-311G**水平上计算了HO2+ C2H2反应的二重态反应势能面.计算结果表明,主要反应方式为自由基HO2的H原子和C2H2分子中的C原子结合,经过一系列异构化,最后分解得到主要产物P1 (CH2O+ HCO).此反应是放热反应,化学反应热为-321.99 kJ·mol-1.次要产物为P2 (CO2 +CH3),也是放热反应.     

Cu/MoO3-TiO2/SiO2上光催化CO2和C3H8合成异丁烯醛的研究

采用表面改性法和等体积浸渍法制备了金属修饰的负载型复合半导体材料Cu/MoO3-TiO2/SiO2, 用X射线衍射、 比表面积测定、 红外光谱、 拉曼光谱和紫外-可见漫反射等技术对固体材料的结构、 吸光性能和化学吸附性能进行了表征, 研究了该材料对CO2和丙烷合成异丁烯醛的光促表面催化规律. 结果表明, 半导体活性组分MoO3和TiO2在所制备的催化剂Cu/MoO3-TiO2/SiO2表面形成化学键, 并存在多种活性吸附位; 金属Cu的修饰拓展了固体材料对光源的响应范围, 提高了反应体系的吸光能力; 固体材料对CO2和丙烷的有效吸附使其在较低温度下就能促进异丁烯醛的紫外光化学合成, 反应选择性达到85％左右. 根据实验结果对光促CO2和丙烷表面催化合成异丁烯醛的机理进行了讨论.     

CO2吸附活化的研究进展

本文分析讨论了CO₂ 在金属催化剂和金属氧化物催化剂上吸附活化的机理及活化吸附态的反应性能, 提出了CO₂ 作为一种温和氧化剂在化工生产中加以综合利用的有效途径。     

CO2甲烷化反应路径的研究进展

CO₂甲烷化反应是一个复杂的多相催化过程,在反应过程中会产生各种各样的中间体,其反应路径目前还存在许多争议和矛盾。深入系统地研究CO₂甲烷化反应中催化剂表面中间体的演变过程,可以进一步从机理的角度优化催化剂的设计方案,提高催化性能。本工作主要基于原位红外光谱表征技术,总结梳理了最近关于CO₂甲烷化反应路径研究的相关工作,着重探讨了负载型催化剂的活性金属、载体、助剂、合成方法等因素对CO₂甲烷化反应路径的影响以及由此对催化剂性能所产生的积极效果。同时针对现阶段所面临的争论点,即反应气CO₂与H2的活化位点、催化剂的活性位点以及未来可行的研究方法进行了详细论述。     

Co-Pd催化剂上CH4/CO2合成乙酸反应中CO2与表面金属物种作用的密度泛函理论研究

采用广义梯度近似(GGA)的密度泛函理论(DFT)(DFT-GGA)对Co-Pd催化剂上CH4/CO2两步法合成乙酸反应中CO2与金属表面物种M—H(M=Co,Pd)和Pd—CH3的插入反应机理进行了研究, 给出了CO2与M—H和Pd—CH3的插入反应机理. 计算结果表明, 在CO2与M—H和Pd—CH3相互作用的4个反应路径中, 反应以CO2与Co—H作用生成产物HCOO—Co为动力学优先路径, 但由于HCOO以双齿形式与金属Co结合, 其结合能较大, 导致HCOO在金属表面不易脱附, 故较难形成甲酸; 反应生成H3CCOO—Pd产物路径次之, H3CCOO和Pd之间结合能较小, H3CCOO容易脱附形成主产物乙酸; 生成H3COOC—Pd反应为动力学最不利路径, 故甲酸甲酯为动力学禁阻产物; 计算结果与实验结果吻合得很好.     

在还原剂存在下CO2作为碳源合成苯并噻唑反应的研究进展

CO₂是一种来源丰富、价廉易得的C1资源。将CO₂高值化利用是“双碳”目标实现的途径之一。苯并噻唑类化合物广泛应用于医药、农药等领域。因此,从绿色和可持续发展角度来看,利用CO₂作为碳源合成杂环化合物苯并噻唑具有重要的意义。本文综述了氢气、硅烷和硼烷三类还原剂还原CO₂与邻氨基苯硫酚反应合成苯并噻唑的方法,分析了各种方法的优缺点,阐述了采用不同还原剂的反应机理,并指出了这一领域面临的问题。另外,对该领域未来的发展方向进行了展望,如绿色环保溶剂的使用、新型高效还原剂的研究、苯并噻唑新合成路线的设计等。     

Cu纳米针上电场促进C-C耦合增强CO2电还原生成C2产物

电催化CO₂减排技术利用电能将过量的CO₂转化为有附加值的化学品,是解决能源危机、实现碳中和的有效途径之一.电催化CO₂还原反应(CO₂RR)中的多碳产物(C₂),如乙烯和乙醇,因其比C1产物具有更高的能量密度和更广泛的应用而受到较大关注.目前为止,Cu基催化剂被认为是获得C₂产物的独特材料.研究者在提高Cu基催化剂C₂产物的活性和选择性方面做了大量的工作,如催化剂形貌工程、活性位点设计和中间吸附性能调控等.许多理论和实验研究已经证明,Cu基催化剂上的C-C偶联过程是C₂产物生成的速率决定步骤.优化C-C偶联过程的能垒是提高C₂产物活性和选择性的重要而直接的策略.CO₂RR在Cu上是由CO₂还原吸附CO(*CO)并二聚生成C₂产物引起的.C-C偶联过程与*CO的吸附性能密切相关.众所周知,CO是一种典型的极性分子,因此其在催化剂表面的吸附性能可能会受到活性位点周围的局部电场的影响.构建合适的局部电场是调节CO吸附性能和C-C偶联过程的潜在手段之一.前期工作(Nature,2016,537,382-386)证明了高曲率金纳米针可以在尖端产生高的局部电场.高局域电场诱导K+聚集,使活性位点周围CO₂浓度升高,大大促进了Au纳米针上的CO生成.基于Au纳米针的局域电场促进了CO₂RR的CO生成.本文利用Cu纳米针促进并优化C-C偶联反应来提高C₂产物活性和选择性.结果表明,局部电场可以促进C-C偶联过程,进而增强CO₂电还原生成C₂产物.有限元模拟结果表明,高曲率铜纳米针处存在较强的局部电场;密度泛函理论计算结果表明,强电场能促进C-C耦合过程.在此基础上,制备了一系列不同曲率的Cu催化剂,其中,Cu纳米针(CuNNs)的曲率最高,Cu纳米棒(CuNRs)和Cu纳米颗粒(CuNPs)曲率次之.实验测得CuNNs上吸附的K+浓度最高,证明了纳米针上的局部电场最强.同时,CO吸附传感器测试表明,CuNNs对CO的吸附能力最强,原位傅里叶变换红外光谱显示,CuNNs的*COCO和*CO信号最强.由此可见,高曲率铜纳米针可以诱导高局部电场,从而促进C-C耦合过程.催化性能测试结果表明,在低电位(-0.6 V vs.RHE)下,Cu NNs对CO₂RR的生成C₂产物的法拉第效率值为44%,约为Cu NPs的2.2倍.综上,本文为CO₂RR过程中提高多碳产物提供了新的思路.     

电化学固定CO2构建羧酸衍生物的研究进展(英文)

CO₂由于其含量丰富、无毒和低成本等特性可作为有机合成中的重要C1源,因此,使用CO₂作为C1源合成高附加值的化合物具有重要的意义.本综述重点介绍了在电化学条件下使用CO₂作为亲电试剂参与有机化合物羧化反应的最新进展.主要介绍了非活化有机卤化物、不饱和烯烃化合物和一些特殊化合物的电化学羧化,并就使用和不使用牺牲阳极进行了详细分类,讨论了这些反应的反应机制,为今后此类反应在有机合成中的应用提供参考.     

超临界CO2中的高分子合成研究进展

本文介绍以超临界CO₂流体为介质的高分子合成的研究进展。说明可在超临界二氧化碳中实施氟代单体的自由基溶液聚合、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的分散聚合、丙烯酸的沉淀聚合、丙烯酰胺的反相乳液聚合以及异丁基乙烯基醚的阳离子聚合等多种聚合反应。这显示出超临界CO₂是一种对环境无污染且价廉的替代溶剂。     

CO2加氢制醇类催化剂的设计制备及性能研究进展

CO₂作为一种可循环再生的C₁资源和氧资源,具有储量丰富、廉价易得、安全无毒等诸多优点,可以通过多相热催化技术转化为醇类等高值化学品和燃料,引起了学术研究与产业应用领域研究者的广泛关注.其中,设计与制备兼具高活性、高选择性和高稳定性的CO₂加氢催化剂是关键挑战.近年来,关于CO₂加氢合成醇类的催化剂结构设计已有许多研究报道,并在典型的金属基和氧化物基催化剂上均取得了显著的进步.因此,本综述详细分析了CO₂加氢制甲醇和乙醇等醇类化学品的基元反应步骤、反应机理等,并从各类活性金属、金属氧化物、碳化物和硫化物等组分的结构特点、催化性能及构效关系等方面进行了归纳和分析,阐释了目前CO₂加氢制醇类领域面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.