碳化的MOF用于电催化还原二氧化碳制备乙烯和乙醇

电化学催化还原二氧化碳是一种有效的能源储存手段。探索具有高乙烯选择性和高产率的高效电催化剂是非常必要的,但仍然具有挑战性。通过对金属有机骨架（Cu-BTC）的简单碳化制备了多孔Cu-Cu₂O/C催化剂,用于高效且选择性地电催化CO₂还原为C₂₊产物。碳化的MOF表现出优异的还原CO₂为C₂₊的性能,在电位为-1.3 V（vs RHE）时,C₂₊的最大法拉第效率（FE）为47.8%,其部分电流密度为4.33 mA·cm^-2。研究表明,较低的碳化温度有助于保留Cu-MOF的形貌,抑制活性金属位点团聚,而多孔特性也能提升其电化学活性面积,进而提高其对CO₂电化学还原为C₂₊产物的性能。     

结构化铜基催化剂电化学还原CO2为多碳产物研究进展

近年来,随着有关铜基催化剂价态、晶面、微观形态等结构化因素对其催化性能影响的研究不断深入,铜基催化剂电化学还原CO₂高选择性制备高附加值多碳（C₂₊）产物取得长足进展。本文系统综述了近五年来结构化铜基催化剂电化学还原CO₂生成C₂₊产物的研究报道,并分析总结了铜基催化剂表面混合价态、高活性晶面和丰富晶界的存在,以及富含限域空间的形态学结构（纳米线阵列、纳米树突和纳米多孔结构等）的构建与其电化学还原CO₂生成C₂₊产物的活性和选择性之间的构效关系。进一步提出了CO₂电化学还原领域发展的新趋势,即充分发挥各个结构化因素的协同作用,原位制备具有混合价态和丰富晶界的纳米多孔结构铜基催化剂,并在流通池中高效还原CO₂持续生成C₂₊产物。     

金属基材料电催化CO2还原的研究进展

电催化CO₂还原为具有附加价值的燃料和化学品,在缓解全球气候变暖和有效储存可再生能源方面极具潜力,近年来受到了广泛的关注。本文首先简述了水溶液中CO₂电化学还原为不同产物反应途径的研究成果,当前简单C₁产物的生成路径较为清晰,但生成多碳烃类和醇类的反应途径尚缺乏明确的证据,需要进一步探索。然后综述了用于CO₂电化学还原的金属基电催化材料的研究进展,聚焦于产物选择性、催化活性和稳定性,分别对金属纳米类、金属合金类、金属氧化物类、金属基复合物以及最近出现的单原子金属催化材料的研究现状进行了介绍。最后,展望了电催化CO₂还原的研究前景,指出不断优化电催化材料的性能是将来研究的主要方向之一,特别是有望取代Au、Ag等贵金属的单原子催化剂以及能高效生成多碳产物的铜基材料;同时,更精确的理论计算结合原位光谱表征,深入探究CO₂电化学还原反应的机理,将极大地促进高效电催化材料的开发。     

银修饰铜纳米阵列用于电催化还原CO2

二氧化碳的电化学转化为气态或液体燃料具有存储可再生能源以及减少碳排放的潜力。报道了一种Ag修饰Cu纳米阵列作为二氧化碳电化学还原催化剂的简单合成方法。首先，在铜箔上通过阳极氧化生成Cu(OH)₂纳米阵列，然后经过原位电化学还原得到Cu纳米阵列，最后通过Cu纳米阵列和Ag⁺前驱体之间的电化学置换来生成Ag修饰的Cu纳米阵列。Ag修饰铜纳米阵列增强了电化学还原二氧化碳的催化性能，相较于未经修饰的铜纳米阵列，Ag修饰Cu纳米阵列电催化还原CO₂生成C₂H₄的法拉第效率提升了158%,同时，修饰后的电极对于C₂₊产物的选择性提升了121%。其对CO₂电催化性能的提升和对氢气的抑制归因于Ag和Cu的协同催化效应。     

碱金属和稀土金属对CuFe8-LDO催化剂的CO2加氢反应性能的影响

研究了碱金属元素Na、K和稀土金属元素La、Ce、Y对铜铁层状双金属氧化物催化剂(CuFe₈-LDO)的CO₂加氢反应性能影响,采用XRD、SEM-EDS、低温N₂吸附-脱附、H₂-TPR、CO₂-TPD等方法表征了催化剂的结构和物化性质,在此基础上结合其CO₂加氢反应性能,研究了构效关系。实验结果表明,碱金属元素Na、K改性能够促进催化剂的还原,改变其对CO₂的吸附强度,从而提高了CO₂加氢反应活性。其中,Na/CuFe₈-LDO催化剂更有利于C₅₊烃类的生成,K/CuFe₈-LDO催化剂更有利于C₂～C₄烃类的生成。稀土金属元素La、Ce、Y的加入不利于提高催化剂的C₂₊烃类选择性,Y/CuFe₈-LDO催化剂的CO₂加氢反应活性略有增...     

CO/CO2加氢高选择性合成化学品和液体燃料

一氧化碳/二氧化碳（CO/CO₂）转化利用是碳一化学与CO₂捕集利用中的重要环节,也是当今碳资源的非石油路线利用最具挑战性的方向之一。CO₂的高效活化与定向转化是CO₂利用过程中的关键问题,而CO加氢转化最大的瓶颈问题为如何有效控制C-O键的活化、C—C键的形成、碳链增长及终止。本文主要综述 CO/CO₂加氢高选择性合成重要化工原料低碳烯烃（C₂ ⁼～C₄ ⁼）以及一步高效合成汽油馏分（C₅～C₁₁）等方面取得的突破性进展。目前,CO/CO₂加氢主要经过费托合成与氧化物/分子筛双功能两条路线合成低碳烯烃与汽油燃料。针对费托合成C₂ ⁼～C₄ ⁼,分析表明棱柱状碳化钴得到的烃类产物分布可以显著突破Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布的限制,而分子筛已被广泛用于构建双功能费托催化剂,由于酸性分子筛具有加氢裂化、低聚与异构化等功能,使得CO/CO₂还可以直接高选择性地转化为C₅～C₁₁烃类。另一方面,将可以活化CO或CO₂到甲醇的可还原型氧化物与具有C—C偶联功能的SAPO-34或HZSM-5分子筛进行耦合,也可以实现CO/CO₂加氢一步合成低碳烯烃或汽油且具有非常优异的选择性和高转化率。今后,借鉴纳米合成领域新方法,使产物分布打破经典ASF限制,最大限度地提高目标烃类化合物的选择性并显著减少甲烷的生成是研究关键。     

活性金属负载量及配比对CuFe双金属催化剂催化合成混合醇的影响

采用液相还原法制备了CuFe双金属催化剂，考察了活性金属负载量及Cu、Fe摩尔比对催化剂反应活性和C₂₊混合醇选择性的影响，分析了活性金属负载量、Cu/Fe摩尔比、催化剂结构及反应性能间的构-效关系，优化了催化剂的制备配方。结果表明，活性组分负载量的增大有助于提高催化剂的反应活性，但过量的金属负载量会导致活性组分发生团聚，影响总醇及C₂₊混合醇的选择性；Cu/Fe摩尔比的增大抑制了催化剂的反应活性，但有助于增强CO吸附能力及Cu、Fe间的协同效应，提高产物中醇类及C₂₊醇的选择性。综合考虑CO转化率、总醇及C₂₊醇选择性，液相还原法制备CuFe双金属催化剂较适宜的活性组分总负载量为30%、铜铁摩尔比为3.0。     

金属酞菁/卟啉分子电催化CO2还原的研究进展

大气中日益增加的CO₂浓度导致了气候变化等环境问题。将CO₂催化转化为有价值的化学品具有重要意义。利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能,通过电化学方法将CO₂还原转化为有价值的碳基化合物是最具有应用前景的方式。分子催化剂具有明确的结构和清晰的活性位点,可实现基于机理的性能优化。综述了近年来金属酞菁/卟啉分子在电催化CO₂还原为CO的实验和理论方面的最新研究进展。首先,介绍了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的详细机理。然后,重点介绍了如何通过分子分散和配体修饰提升金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的活性和选择性。最后,讨论了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原存在的挑战及其可能的解决方案。     

电催化还原CO2生成多种产物催化剂研究进展

电催化还原CO₂生成含碳产物技术,能有效解决CO₂过量导致的温室效应及能源短缺问题。但是,电催化还原CO₂会生成多种产物,因此,研究制备催化活性较好的高选择性催化剂是研究重点。本文简述了电催化还原CO₂的基本原理、不同还原产物的形成途径、活性中间体、速控步及活性催化剂,分析了电催化还原CO₂生成不同产物存在的问题。并且针对催化剂催化活性及催化反应过程中的这些问题,提出了提高催化剂催化活性的方法,总结了催化剂发展趋势,一般策略包括制造纳米结构材料、催化剂负载在高比表面积的载体上、杂原子掺杂、合金化、引入缺陷等,分析了这些方法通过改变电子传输等因素对催化剂活性及选择性的影响。     

氮掺杂碳限域的花状SnS催化CO2电还原制甲酸

合理设计高效的电催化剂是二氧化碳电化学还原（CO₂ER）为高附加值化学品和燃料的关键。本文利用水热-煅烧法制备了氮掺杂碳限域的花状SnS催化剂（SnS@NC）并研究了其电催化CO₂的特性。基于超薄氮掺杂碳层的限域效应，SnS的层厚由原始的30nm缩减至20nm，电化学活性面积明显增强，同时氮掺杂碳层增强了对CO₂的吸附和活化。SnS@NC催化CO₂转化为甲酸的能力明显增强，在-1.3V（vs. RHE）的H型电解池中法拉第效率为81.2%，电流密度为29.5mA/cm²，本文为金属硫化物复合催化剂功能化提供了新策略。     

CCUS环境下水泥单矿C3S的CO2腐蚀动力学研究

在碳捕集、利用和封存(CCUS)井下,油井水泥因长期受井下高温、高压和高酸性流体的作用会遭受碳化腐蚀导致水泥环失效。为了模拟CO₂地质封存井下碳化腐蚀环境,本文将油井水泥的主要单相矿物硅酸三钙(C₃S)置于不同温度(30 ℃、60 ℃、90 ℃),并密封在8.0 MPa的气相或液相的CO₂碳化环境下,采用XRD和TGA相结合的分析方法,分析水泥单矿C₃S受CO₂腐蚀环境的影响规律。根据非稳态Fick扩散的渗透理论模型,建立腐蚀产物定量分析结果与腐蚀龄期的数学模型,拟合得到C₃S受CO₂腐蚀后的产物生成系数,以此评价不同CO₂腐蚀因素对C₃S的影响程度。结果表明:在CO₂气相环境中,温度升高将显著加剧对C₃S的腐蚀且产生溶蚀现象;而在CO₂液相环境下,高温(90 ℃)使C₃S水化反应加剧并形成阻滞层,降低CO₂对C₃S的腐蚀速率。     

离子液体中电化学还原CO2研究评述与展望

近百年来,伴随着矿石燃料的大量消耗,CO₂的排放量剧增,引发了全球性的生态环境和社会问题。CO₂同时也是廉价且可再生的碳资源,可作为生产醇、醚、酸、酯等重要化工品的原料。在众多吸引力十足的CO₂利用路线中,作为清洁、可控的反应过程,电化学还原固定CO₂技术在温和条件下生产化学品方面具有独特的优势。离子液体以其特有的性质被广泛用于电化学还原CO₂过程,本文对目前国内外离子液体介质中电化学还原CO₂的研究现状进行了综述,介绍了离子液体介质中电化学还原CO₂的主要反应及基本原理;针对离子液体对CO₂高效活化和转化等关键科学问题进行深入探讨,提出新型功能化离子液体的应用将成为CO₂电化学还原领域的发展方向和热点。     

Hollow MOF capsule encapsulated amino-functionalized ionic liquid for excellent CO2 catalytic conversion

The engineering of highly efficient and stable heterogeneous catalysts for catalytic conversion of CO₂ to high value-added products is highly desirable but presents a great challenge. Herein, we reported the synthesis of a series of multifunctional IL@H-Zn/Co-ZIF composite catalysts with a unique porous hollow capsule structure and encapsulated amino-functionalized ionic liquids (ILs). The unique hollow capsule structure of IL@H-Zn/Co-ZIF provides sufficient space for loading active ILs ([C₂NH₂Mim⁺][Br^-]) and fast mass transfer of substrate molecules during catalysis. Furthermore, the microporous Zn-ZIF shell can effectively avoid the leaching of active ILs. Benefiting from the unique hollow structure, the resultant IL@H-Zn/Co-ZIF demonstrated excellent catalytic performance (>95% yield), and good recyclability (still remained about 90% activities after 5 cycles) when applied in the CO₂ cycloaddition reaction under solvent and co-catalyst free conditions.     

Chemical Effects of CO2 Concentration on Soot Formation in Jet-stirred/Plug-flow Reactor

Soot formation was investigated numerically with CO2 addition in a jet-stirred/plug-flow reactor （JSR/PFR） C2H4/OJN2 reactor （C/O ratio of 2.2） at atmospheric pressure. An updated Kazakov mechanism empha- sizes the effect of the O2/CO2 atmosphere instead of an O2/N2 one in the premixed flame. The soot formation was taken into account in the JSR/PFR for C2H4/O2/N2. The effects of CO2 addition on soot formation in different C2H4/O2/CO2/N2 atmospheres were studied, with special emphasis on the chemical effect. The simulation shows that the endothermic reaction CO2 ＋ H - CO ＋ OH is responsible of the reduction of hydrocarbon intermediates in the CO2 added combustion through the supplementary formation of hydroxyl radicals. The competition of CO2 for H radical through the above forward reaction with the single most important chain branching reaction H ＋ O2, ＇ O ＋ OH reduces significantly the fuel burning rate. The chemical effects of CO2 cause a significant increase in residence time and mole fractions of CO and OH, significant decreases in some intermediates （H, C2H2）, polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs, C6H6 and CI6H10, etc.） and soot volume fraction. The CO2 addition will leads to a decrease by only about 5% to 20% of the maximum mole fractions of some C3 to Clo hydrocarbon intermediates. The sensitivity analysis and reaction-path analysis results show that C2H4 reaction path and products are altered due to the CO2 addition.     

水溶液中电化学还原CO2的研究进展

CO₂作为一种潜在的碳资源,寻找一种有效的方法转移利用CO₂一直是社会关注的焦点。水溶液中电化学方法转化固定CO₂可在室温和常压下进行,通过选择不同电极和电极电势来改变产物、调控反应速率和选择性,因而具有潜在的优势。本文综述了水溶液中电化学还原CO₂的发展现状,介绍了水溶液中电还原CO₂的基本原理和电极上发生的主要反应;总结了水溶液中金属电极、气体扩散电极(GDEs)和复合电极等不同电极材料对CO₂还原产物的种类、选择性以及电流效率的影响;讨论了温度、CO₂分压等还原反应条件对反应速率和电流效率的影响。展望了水溶液中电还原CO₂技术的发展前景,认为利用水基溶液中丰富的[H],增强CO₂还原产物的燃料化程度,将在环境保护、资源利用和经济效益方面具有极大价值,符合绿色化学发展理念。     

Effects of identities of supports on Fe-based catalyst and their consequences on activities of CO2 hydrogenation to olefins

The direct synthesis of olefins by CO₂ hydrogenation with iron-based catalysts is one of the best ways to achieve CO₂ emission reduction and CO₂ conversion and utilization. At present, the CO₂ hydrogenation activity and structural strength of the iron-based catalysts are still relatively low during CO₂ hydrogenation process, which has become an important challenge for the industrialization of CO₂ hydrogenation to olefins. In this work, a series of the supported iron-based catalyst was prepared by the impregnation method to study the influence of the properties of support materials on the structure of iron-based catalysts and the reactivities of the direct synthesis of olefins from CO₂ hydrogenation. This work found that the support induced the iron species formed during the process of CO₂ hydrogenation, simultaneously affected the order degree of carbon species on the surface of iron-based catalyst, and tuned the capability of CO₂ adsorption and the activities of CO₂ activation. The results shown that the Fe-based catalyst supported on ZrO₂ exhibited the best catalytic performance for CO₂ hydrogenation to olefins at 320℃ and 2.0 MPa. The CO₂ conversion (>30%) and the selectivity of olefins in C₂—C₇ hydrocarbon products were as high as over 85%, the ratio of olefins to paraffins was 8.2, and the CO selectivity was 17.1%.     

载体对铁基催化剂结构及CO2加氢制烯烃反应性能的影响特性

铁基催化剂CO₂加氢直接合成烯烃是实现CO₂减排及CO₂转化与利用的最佳途径之一。目前铁基催化剂的CO₂加氢活性及反应过程中铁基催化剂结构强度仍然较低，成为CO₂加氢制烯烃产业化生产的重要挑战。通过浸渍法制备一系列负载型铁基催化剂，研究载体材料性质对铁基催化剂结构及CO₂加氢直接合成烯烃的影响特性。研究发现，载体可诱导铁基催化剂在CO₂加氢反应过程中形成的铁物种，同时影响铁基催化剂表面碳物种的有序度，调变对CO₂吸附及活化能力；研究结果表明ZrO₂负载的Fe催化剂展现出最佳的CO₂加氢合成烯烃催化性能，在温度320℃和反应压力2.0 MPa时，CO₂转化率>30%，C₂~C₇烃类产物中烯烃选择性高达85%以上，烯烷比为8.2，且CO选择性较低为17.1%。