In-Co二元金属氧化物上CO2催化加氢反应的选择性转变:催化反应的机理和构效关系

来源 :催化学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:binghuapeng
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
采用催化加氢的方式将CO2转化为甲醇,既可以减少CO2排放,又制备了化学品,该反应具有重要的研究意义.氧化铟(In2O3)作为CO2加氢制甲醇催化剂,由于其较高的CO2活化能力和甲醇选择性,被科研工作者广泛研究.其中,将具有良好解离H2能力的过渡金属元素引入In2O3(M/In2O3)是有效提高催化剂性能的策略之一,然而,M/In2O3体系催化CO2加氢反应机理及活性位点仍不清楚.本文引入Co制备了In-Co二元金属氧化物催化剂应用于CO2加氢制甲醇,结果表明,相较于In2O3,In-Co催化剂性能有很大提升,其中In1-Co4催化剂上甲醇时空产率(9.7 mmol·gcat-1 h-1)是In2O3(2.2mmol·gcat-1 h-1)的近5倍(反应条件:P=4.0 MPa,T=300℃,GHSV=24000 Cm3STP gcat-1 h-1,H2/CO2=3).值得注意的是,尽管Co是金属元素的主体,In-Co催化剂中Co催化CO2甲烷化的活性受到明显抑制.本文还通过多种技术系统研究了催化剂结构与反应选择性转变间的关系.采用电感耦合等离子体发射光谱、粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等对催化剂结构以及表面性质进行了表征.结果 表明,在H2还原气氛诱导下,In-Co催化剂表面发生重构,形成以CoO为核,以In2O3为壳的核壳结构,其在高压反应后仍能保持稳定;更重要的是,该核壳结构可以显著增强In-Co催化剂吸附及活化CO2的能力.CO2加氢反应动力学研究表明,Co催化剂上H2分压对CO2加氢为零级反应,而H2分压在In-Co上的反应级数为正数;In-Co催化剂上,CO2分压的反应级数接近于零,表明CO2及其衍生物在In-Co的表面吸附饱和,但在纯Co上,则不会发生这种饱和吸附.通过原位DRIFTS研究了催化反应路径和关键中间物种的吸附及反应行为,发现CO2加氢在纯Co和In-Co上的催化机理均遵循甲酸盐路径.在该催化路径中,CO2首先加氢为甲酸盐(*HCOO)物种,随后加氢为甲氧基(*CH3O).*CH3O在Co催化剂上进一步加氢生成CH4,而*CH3O在In-Co催化剂上则会脱附生成CH3OH.根据表征结果,本文认为,在还原性气氛下,In-Co发生了重构并生成表面富In2O3的核壳状结构,显著提高了催化剂对CO2和含碳物种的吸附能力.Co和In-Co催化剂对CO2加氢反应选择性的差异归因于催化剂对CO2和对*HCOO等含碳中间物种的吸附稳定性不同.CO2及其衍生的含碳中间物种在In-Co催化剂上的吸附能力比在Co催化剂上强,形成了较合适的催化剂表面C/H比,从而使*CH3O能够脱附为CH3OH,而不是进一步加氢为CH4.综上,本文研究为高活性In-Co催化剂体系在CO2加氢反应中的催化机理及行为提供了解释,为金属-氧化铟(M-In2O3)催化剂体系的设计提供了参考.“,”The hydrogenation of CO2 into methanol has attracted much attention and In2O3 is a promising catalyst.Introducing metal elements into In2O3 (M/In2O3) is one of the main strategies to improve its performance.However,its mechanism and active sites remain unclear and need to be further elucidated.Here,the noble-metal-free Inx-Coy oxides catalysts were prepared.Much-improved per-formance and obvious product selectivity shift were observed.The optimized catalyst (In1-Co4) (9.7 mmol gcat-1 h-1) showed five times methanol yields than pure In2O3 (2.2 mmol gcat-1 h-1) (P =4.0 MPa,T =300 ℃,GHSV =24000 cm3STP gcat-1 h-1,H2∶CO2 =3).And the cobalt-catalyzed CO2 methanation activity was suppressed,although cobalt was most of the metal element.To unravel this selectivity shift,detailed catalysts performance evaluation,together with several in-situ and ex-situ characteri-zations,were employed on cobalt and In-Co for comparative study.The results indicated CO2 hy-drogenation on cobalt and In-Co catalyst both followed the formate pathway,and In-Co recon-structed and generated a surface In2O3-enriched core-shell-like structure under a reductive atmos-phere.The enriched In2O3 at the surface significantly enhanced CO2 adsorption capacity and well stabilized the intermediates of CO2 hydrogenation.CO2 and carbon-containing intermediates ad-sorbed much stronger on In-Co than cobalt led to a feasible surface C/H ratio,thus allowing the*CH3O to desorb to produce CH3OH instead of being over-hydrogenated to CH4.
其他文献
氢气(H2)具有能量密度高、环境友好等优点,是一种很有前景的清洁能源载体.目前,电催化水裂解大规模制氢被认为是一种理想可行的方法.析氢反应(HER)涉及多个步骤,首先形成吸附的氢(Volmer步骤),然后是脱附步骤(Heyrovsky步骤)或两个相邻的吸附氢形成H2(Tafel步骤).与酸性介质相比,碱性介质中的HER可与现有的析氧反应(OER)催化剂偶合,降低电解水的设备成本,因此研究碱性条件下HER更具应用价值.但是,HER在碱性介质中不可避免地需要打破较强的共价键H-O-H,动力学缓慢,导致需要高过
三维软件建模凭借它真实的场景展现和其直观的视觉感受,成了三维地理信息系统(geographic information system,GIS)领域的主要研究方向.三维软件建模法构建的模型真实、美观,能非常精细地表现地物的特征和细节.通过对3Ds Max和Sketch Up两种不同三维软件建模方法的比较分析,总结出两种软件各自的优势,然后将两者的优点相结合,能更加快速完整地进行三维模型构建.通过对联合建模方法的研究,能够为三维软件建模提供一种更为简洁的方法,从而缩短建模的时间,减少人力消耗.
针对现有点云数据切片处理在数据追加和局部更新方面存在一定的不足,提出了一种基于全球索引切片发布的处理方法.解决了在处理海量点云数据的过程中效率较低的问题,实现了基于全球索引的点云切片处理.基于本研究结果表明:本方法不仅可以高效处理海量点云数据,还可以提供数据追加和更新等方式,为后续的数据更新和发布提供极大地便利,研究结果可应用于海量点云切片处理.
由于有机材料的结构多样性,越来越多的研究者选择有机材料作为光催化剂.典型的n型有机半导体花二酰亚胺(PDI)不仅在可见光照射下有较强的光响应能力,而且有合适的带隙和负导带,使得光激发电子具有较强的还原能力.半导体光催化剂的适用性受到光生载流子复合的限制,而构建S型异质结可有效保证电荷分离,也可保证空穴和电子的强氧化能力和强还原能力.此外,由于普通光催化剂分离回收困难,可以将PDI与磁性半导体ZnFe2O4相结合来构建复合光催化剂,该复合光催化剂可以通过外加磁场进行回收以降低成本,在提高复合光催化剂性能的基
氢气作为一种清洁无污染的可再生能源,可以有效地解决全球能源危机和环境污染问题.低能耗水裂解制氢是公认的未来清洁制氢的有效途径之一.水裂解反应分为阳极上发生的析氧反应(OER)和阴极上发生的析氢反应,由于阳极半反应涉及四电子过程,反应动力学缓慢,进而导致整个水分解产氢效率低下,成为规模化水裂解制氢应用的瓶颈.贵金属Ir基和Ru基催化剂具有较好的OER催化性能,但其价格高昂和低储量极大地限制了其大规模应用.因此,设计出性能优良的非贵金属OER催化剂,对于促进电催化水裂解制氢领域的发展具有重要意义.自旋调控可以
乙醇由于具有无毒、理论能量密度高、易存储等优点,被广泛用于直接醇类燃料电池研究.乙醇电氧化是直接醇类燃料电池中重要的阳极反应,通常涉及C1和C2反应路径.C1路径中乙醇分子主要转化成二氧化碳,但该过程涉及C-C键断裂,会有COad和CH(x)ad等中间体产生;C2路径中乙醇分子转化成乙醛,最终转化成乙酸或乙酸根.为提升醇类氧化反应效率,通常在电池阳极上负载Pt,使乙醇发生C1路径电氧化.然而,C1反应路径产生的中间产物COad容易使Pt发生毒化而失活,进而导致乙醇电氧化反应动力学不足.因此,开发高效的阳极
为了响应国家疫情常态化管理要求,弥补疫情背景下高校对于学生外出管理办法的缺陷.本文结合安卓(Android)开发、万维网(Web)开发、网络编程、派森(Python)爬虫技术设计并实现了一套疫情背景下学生外出避险导航系统.该系统能实时生成多尺度疫情风险地图,动态跟踪外出学生位置,自动划分疫情高风险区域并设置疫情围栏.系统主体部分为Android平台和Web平台,针对用户分别为学生和高校管理人员.Android平台负责获取学生出行数据,并包含出校扫码、轨迹记录、危险区域警告、避险导航、疫情风险地图等功能,W
国内外学者求解有理系数多项式(RPC)参数时,时大都利用高分辨率卫星建立的严格成像模型,由于严格成像模型参数的保密性以及这些参数含有一定的系统误差,致使有理函数模型(RFM)参数不够精确.针对这一现象,提出了一种基于稀少控制点(GCPs)的RPC参数精化方法:首先用稀少控制点对原始RPC进行基于像方的系统误差改正;然后利用基于像方改正的有理函数模型代替严格成像模型生成虚拟控制点,利用这些控制点精确求解RPC参数.利用资源三号卫星影像进行本方法的实验,结果表明修正后的有理函数模型定位精度明显得到提升,为实际
为探究杭州市的地表形变情况,以覆盖杭州地区的25景Sentinel-1A卫星数据为基础,使用永久散射体雷达干涉技术(PS-InSAR)对研究区地表形变信息进行了反演,结果表明:监测期内研究区的年均形变速率范围为-27.5~28 mm/a,地面沉降区域主要分布在萧山地区及江干地区;研究区地表总体形态趋于稳定,年均形变速率集中在-5~5 mm/a.杭州市地面不均匀沉降主要是受高层建筑荷载、城市开发工程建设和工业活动等影响.另外结合PS-InSAR反演结果,使用短基线集雷达干涉技术(SBAS-InSAR)对研究
地下管线是城市重要基础设施,是城市运行的“生命线”,是智慧城市的重要内容之一.综合地下管线数据库建成后的更新维护是地下管线管理十分重要的环节,决定着地下管线有效运行的生命力.北京市地下管线每年以2000 km以上的速度增加,怎样建立北京市地下管线数据库数据更新及维护机制是一个关键问题.本文结合在地下管线更新中存在的问题,提出了应对措施和建议,并给出了数据库的更新方法和长效机制,保证了数据的完整性、现势性和准确性,从而为城市规划建设和治理提供有力的信息化保障.