一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原反应(E-CO₂RR)可在温和条件下将CO₂转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO₂RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO₂RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO₂RR电极的发展进行了评述与展望。     

熔盐电化学还原二氧化碳制备碳材料研究进展北大核心CSCD

二氧化碳浓度持续升高导致的温室效应已在全球范围内引发极端天气、冰川融化等一系列生态环境问题。为降低二氧化碳含量,改善气候变暖带来的恶劣影响,研发高效、绿色、安全的二氧化碳处理技术,促进碳资源循环可持续发展刻不容缓。熔盐离子液体作为一种良好的电化学转化介质,为二氧化碳还原提供了一条极具应用前景的技术路线。综述了国内外近几年高温熔盐中二氧化碳的捕获与电化学还原的研究,简述了熔盐电沉积碳的电化学机理和热力学机制,对不同形貌高附加值碳材料:无定形碳、碳球和碳纳米管的制备进行了总结,最后对未来发展方向做出展望。     

二氧化碳催化加氢及其研究进展*

综述了二氧化碳热催化加氢的现状和研究进展,为进一步开展二氧化碳催化加氢的研究提供参考     

Zr-MOF空心纳米球固载离子液体对CO2环加成反应的催化性能

通过后合成修饰方法(PSM)构筑了空心纳米球(Void@UiO-66-Ⅰ)和实心块(UiO-66-Ⅰ) 2种形貌的季铵盐功能化UiO-66-NH₂(Zr), 得到兼具酸碱活性位点和氢键给体的新型功能化金属-有机框架材料. 通过一系列表征证明2种催化剂的成功合成, 并将它们用于催化转化CO₂和氧化苯乙烯的环加成反应. 由于Void@UiO-66-Ⅰ催化剂的季铵盐部分含有大量的羟基和卤素阴离子, 可以通过氢键和亲核攻击与环氧化合物连接, 诱导环氧化合物开环, 促使反应顺利进行, 且催化剂的中空结构有利于物质进出催化剂, 起到加快反应速率的作用, 使得该催化剂在CO₂与氧化苯乙烯环加成反应中表现出比实心块UiO-66-Ⅰ催化剂更好的催化性能. Void@UiO-66-Ⅰ催化剂在120 ℃, CO₂压力为1.2 MPa, 反应时间为6 h, 无溶剂和助催化剂的反应条件下, 碳酸苯乙烯酯的收率和选择性分别为85.5%和95%.     

三功能策略设计制备具有优异低温抗积碳性能的Ni-CeO2@SiO2催化剂催化甲烷干重整反应

随着全球人为温室气体排放量(主要是甲烷和二氧化碳)的增加,全球变暖的趋势逐渐增加,因此,迫切需要通过各种技术来捕获和利用这些温室气体.甲烷干气重整反应(DRM)可以有效地将甲烷和二氧化碳这两种资源丰富、价格低廉的温室气体转化为高附加值化学品,减少它们向大气排放.尽管DRM工艺的应用具有许多优势,但是反应期间碳沉积和活性组分的烧结是阻碍其工业应用的两个主要原因.这些碳沉积物可能覆盖活性中心或阻塞催化剂的孔道,从而导致催化剂活性降低.镍基催化剂因其价格低廉、初始活性高和资源丰富而得到广泛的应用.但应用于DRM反应的Ni基催化剂在反应中容易烧结和积碳,导致催化剂迅速失活.为解决上述问题,本文从三功能策略角度出发,即SiO2壳层的限域作用和Ni-Ce之间的协同作用以及CeO2的消除积碳作用,采用原位一锅法设计合成了一种限域型Ni-CeO2核壳结构催化剂(Ni-CeO2@SiO2).通过X射线衍射、透射电子显微镜、能量色散X射线光谱、N2吸附/脱附、氢气程序升温还原和脱附、氧气程序升温脱附、拉曼光谱、热重分析和原位漫反射红外傅里叶变换光谱测试对催化剂进行了系统的表征,来揭示催化剂的理化性质和反应机理.催化剂应用于甲烷干气重整反应结果表明,在温度区间为550～800℃时,与传统浸渍法合成的催化剂相比,Ni-CeO2@SiO2催化剂具有更高的活性.高温800℃下的稳定性测试结果显示,传统浸渍法合成的催化剂在反应20 h后就出现了大量的积碳且活性下降明显;而Ni-CeO2@SiO2催化剂在800℃下反应100 h后未检测到积碳,并且催化剂中的Ni纳米颗粒的平均粒径从5.01 nm仅增长到5.77 nm,表现出很好的高温抗积碳和耐烧结性能.值得注意的是,Ni-CeO2@SiO2催化剂在低温600℃(形成碳沉积的最可能温度区域)下反应20h后也未检测到积碳的形成,表现出催化剂良好的低温稳定性和抗积碳性能.这可能归因于对Ni-CeO2@SiO2催化剂的三功能作用,即多孔二氧化硅壳层的限域作用、Ni与CeO2之间强的金属-金属氧化物相互作用以及具有丰富活性氧物种CeO2的消除积碳的作用.通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱测试来探究反应机理.结果 表明,DRM反应在Ni-CeO2@SiO2催化剂上遵循L-H机理,添加CeO2可以消除碳沉积并促进CO2活化.该三功能策略为设计其他应用于DRM的高性能催化剂提供了指导,有望加快该工艺的工业化.     

提高金属有机骨架材料在二氧化碳热催化转化中的性能:策略及前景展望

近年来,大气中CO2的浓度不断增加,带来全球变暖等一系列严重后果,成为国际社会共同关注的环境问题.将CO2催化转化为高附加值化学品可有效降低其向大气中的排放,同时可实现其资源化利用,符合低碳社会的发展目标.目前,已有多种催化体系实现了CO2向不同化学品的转化.然而,由于CO2自身的热力学稳定性和动力学惰性,这些转化通常需要在苛刻的反应条件和较高能耗下进行.设计开发高效催化体系、实现温和条件下CO2的转化利用引起了工业界和学术界的广泛兴趣.金属有机骨架材料(MOFs)是一类由有机配体和金属中心通过配位键组装而成的有机-无机杂化材料,在很多方面展现出良好的应用性能.由于其结构的多样性、可设计性、高比表面积和多孔性等独特性质,MOFs在催化领域吸引了很多研究者的关注.其中,MOFs作为非均相催化剂在CO2热催化转化中表现出良好的应用前景,已实现多种CO2向高值化学品的转化路径.但这些催化体系也存在一些缺点,如有些MOFs材料在催化反应中稳定性差以及其微孔性对反应中的传质造成限制等.因此,设计稳定的MOFs和MOF-基材料并对其结构进行优化改性,从而在温和条件下实现高效的CO2转化具有重要意义.本文综述了提高MOFs在CO2热催化转化反应中性能的几种策略:(1)对MOFs结构中的配体进行设计,包括具有活性官能团的配体、活性配合物作为配体和引入混合配体设计多元MOF;(2)调节MOFs结构中的金属中心,设计混合金属中心和包含活性金属团簇的金属中心;(3)构筑多级孔MOFs;(4)设计MOF-基的复合材料,包括MOFs作为载体与金属纳米颗粒、活性配合物和聚合物构建复合材料;(5)利用MOFs作为前驱体制备MOF-基衍生物材料,重点阐述了如何增加MOFs作为非均相催化剂的催化活性位点以及在CO2转化反应中各位点之间的协同作用.此外,介绍了原位表征技术在MOF-基材料用于CO2固定和转化中的应用.最后,分析了MOF-基非均相催化材料在CO2热催化转化领域目前面临的问题和挑战,包括MOFs材料结构优化、催化机理研究和规模化制备等方面,并对未来的发展趋势进行了展望.     

ZrCdOx/SAPO-18双功能催化剂催化CO2加氢合成低碳烯烃性能

采用并流共沉淀法制备了不同Zr/Cd原子比(n_Zr/n_Cd)的ZrCdO_x金属氧化物,并与水热法制备的不同硅铝比(n_{SiO_(2})/n_{Al_(2}O₃))的片状SAPO-18分子筛物理混合制得ZrCdO_x/SAPO-18双功能催化剂,研究了其催化CO₂加氢直接合成低碳烯烃性能。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、CO₂程序升温脱附(CO₂-TPD)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了分析。与单一ZrO2相比,引入CdO使得ZrCdO_x比表面积下降,当n_Zr/n_Cd=8时制备的Zr8Cd1氧化物呈现出无定形小颗粒状,Zr与Cd之间较强的协同作用使得Zr Cd Ox氧化物产生了更多的氧空位,有利于CO₂的吸附活化。通过对Zr8Cd1金属氧化物与SAPO-18(硅铝比0.1)的质量比、工艺反应温度、压力和空速对催化性能影响的考察,获得了最佳反应条件。研究还发现,当SAPO-18的硅铝比从0.1降为0.01时,Br?nsted酸含量降低,产物中烯烃/烷烃物质的量之比从18.6提高至37.2,但副产物CO含量迅速增加,低碳烯烃时空收率明显下降。     

CH4 reforming with CO2 for syngas production over La2O3 promoted Ni catalysts supported on mesoporous nanostructured γ-A12O3

Nanostructured -y-A12O3 with high surface area and mesoporous structure was synthesized by sol-gel method and employed as catalyst support for nickel catalysts in methane reforming with carbon dioxide. The prepared samples were characterized by XRD, N2 adsorption-desorption, TPR, TPO, TPH, NH3-TPD and SEM techniques. The BET analysis showed a high surface area of 204 m2.g-1 and a narrow pore-size distribution centered at a diameter of 5.5 nm for catalyst support. The BET results revealed that addition of lanthanum oxide to aluminum oxide decreased the specific surface area. In addition, TPR results showed that addition of lanthanum oxide increased the reducibility of nickel catalyst. The catalytic evaluation results showed an increase in methane conversion with increasing lanthanum oxide to 3 mol% and further increase in lanthanum content decreased the catalytic activity. TPO analysis revealed that the coke deposition decreased with increasing lanthanum oxide to 3 mol%. SEM and TPH analyses confirmed the formation of whisker type carbon over the spent catalysts. Addition of steam and Oxide to drv reformin feed increased the methane conversion and led to carbon free ooeration in combined orocesses.     

表面活性剂辅助共沉淀法制备Ni-Mg-Al固体碱催化剂用于CH_4-CO_2重整反应

采用表面活性剂辅助共沉淀法制备了Ni-Mg-Al固体碱催化剂并用于CH4-CO2重整反应,探讨了表面活性剂对Ni(111),Ni(200)晶面的择优取向作用,在800℃下比较了不同表面活性剂制备的催化剂的催化性能,详细考察了CTAB制备的催化剂CB-LDO在不同反应温度下的催化活性和稳定性.采用红外光谱、X射线衍射、程序升温还原、X射线光电子能谱、高分辨透射电镜和程序升温氧化等表征手段分析了催化剂的活性、稳定性和失活原因.结果表明,四丙基氢氧化铵(TPAOH)促进Ni(200)的生长,而聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(P123)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)抑制Ni(200)晶面的生长;Ni(200)的结晶程度对CH4的活化起到关键的作用,催化剂CB-LDO在高温下反应会发生晶型的转化,Ni(200)晶面由于反应过程中生成NiAl2O4尖晶石而得到缓慢释放,使催化剂的活性得以维持较高的水平.     

Nd,Ce和La改性对Ni/SBA-15催化剂在CH4/CO2重整反应中性能的影响

以稀土金属Nd,Ce或La的氧化物为助剂,采用β-环糊精浸渍法对Ni/SBA-15催化剂进行了改性,并运用X射线衍射、N₂吸附-脱附、程序升温还原和热重等手段考察了改性的催化剂在CO₂重整CH₄制合成气反应中的催化性能. 结果表明,Nd等稀土金属氧化物的添加对催化剂孔结构和晶相结构等性质影响不大,但可影响NiO的还原; Nd的添加使NiO与载体之间以Ni-Nd-O形式相互作用,促进了活性组分NiO的还原. 其中,Nd的添加量为5-10 wt%时所制备的催化剂在重整反应中的催化活性最高,且具有很强的抗积碳性能. La和Ce氧化物促进的Ni催化剂也表现出类似的性质和催化性能.