Wie man das Treibhausgas CO2 in hochwertiges Methanol umwandelt, ist in der kritischen Phase der Verwirklichung des „Double Carbon“-Ziels immer ein heißes Thema in der Wissenschaft. Vor kurzem hat das Forschungsteam der Zhejiang-Universität gemeinsam mit dem Greater Qingshan-Labor in der Inneren Mongolei gute Nachrichten gegeben - der Cu-ZnO/Nb₂C@Nb₂O5-Katalysator, der in der CO2-Reaktion mit Wasserstoffmethanol erstaunlich ist, ist nicht nur die Methanolleistung von bis zu 247 mg/(gcat·h), sondern die Selektivität von 74,3%, die kontinuierliche Leistung von 60 Stunden ist fast ohne Abbau! Dieses Ergebnis bietet eine völlig neue Lösung für den CO2-Recycling, auf die sich Forschungsideen konzentrieren sollten.

Wenn wir auf CO2-Methanol denken, denken wir zuerst an den herkömmlichen Cu/ZnO/Al₂O3-Katalysator. Obwohl diese Art von Katalysatoren schon lange in der ersten Anwendung waren, gab es zwei tödliche Probleme: Erstens sind Cu-Partikel bei hohen Temperaturen leicht wiedervereint und ZnO leicht gesintert, was zu einer kurzen Lebensdauer führt; Zweitens ist die Methanol-Selektivität immer nicht zu steigen, es ist schwierig, die hohen Anforderungen der Industrie zu erfüllen.

Teamforscher: "Al₂O3 in herkömmlichen Katalysatoren als Hilfsmittel hat eine begrenzte Verankerungsfähigkeit für Cu und ZnO und die Metall-Träger-Wechselwirkung (SMSI) kann die aktiven Stellen leicht überhüllen und die katalytische Effizienz beeinflussen." Um diese Einschränkung zu überwinden, richtete sich das Team auf ein neues Material, das in den letzten Jahren stark verbrannt wurde: MXene.

MXene ist eine Klasse zweidimensionaler Übergangsmetallkarbide / Nitridide, allgemein als M <unk>₊<unk>X <unk>T <unk>, in denen die "M-Stelle" (ungesättigte Übergangsmetallstelle) sowohl die hohe Diffusionsfähigkeit von Kohlenstoffmaterialen als auch die Reduzierbarkeit von Metalloxiden hat, die sowohl die Struktur des Lastmetalls regulieren als auch die Adsorption von kleinen molekularen Gasen verbessern können. Das diesmal ausgewählte Nb₂C MXene ist aufgrund seiner einzigartigen Zwischenschichtstruktur und seiner ungesättigten Nb-Stelle das „Kernskelett“ des Katalysators.

Der Schlüsselbruch der Forschung besteht darin, dass das Team die „Elektron-Metall-Träger-Wechselwirkung (EMSI)“ zwischen Nb₂C und Cu intelligent nutzte. Durch Berechnungen des Röntgen-Photoelektronenspektrums (XPS) und der Dichte-Panfunktion-Theorie (DFT) wurde bestätigt, dass ungesättigte Nb-Stellen in Nb₂C Elektronen an die Cu-Spezies übertragen und die Cu-Oberfläche in einen "Elektronenreich-Zustand" verwandeln - genau das "Schlüsselcode" für die CO2-Aktivierung!

"Die elektronenreiche Cu-Oberfläche kann CO2-Moleküle leichter 'fangen', während die Nb-Stelle auch die Adsorption und Dissociation von H2 fördert." Experimente mit Wasserstoffgas-Prozesserwärmungsreduktion (H₂-TPR) und Prozesserwärmungsdeadhession (TPD) ergaben, dass Nb₂C@Nb₂O5 (Partielle Oxidation von Nb₂C) nicht nur eine starke Adsorptionsfähigkeit an H₂ und CO2 behält, sondern auch durch eine starke Adsorption an CO * die CO-Deadhession effektiv hemmt und die Reaktion in Richtung der Erzeugung von Methanol führt.

Noch bemerkenswerter ist, dass das Team das beste Verhältnis fand, indem es das Verhältnis Cu: Zn: Nb₂C regulierte - 4: 2: 10. Zu diesem Zeitpunkt bildete der Katalysator eine stabile Cu-Zn-Nb-Schnittstellenstruktur, die sowohl die Dispersionsfähigkeit der Cu-Nanopartikel als auch die EMSI-Wirkung verstärkte und das Gleichgewicht zwischen "Aktivität" und "Selektivität" erreichte.

Um herauszufinden, wie CO₂ Schritt für Schritt in Methanol verwandelt wird, hat das TeamSpektrale TechnologieiCAN 5000Forschungsklasse Fourier-Transformationsinfrarot-SpektrometerDas Hochdruck-DRIFTS-Experiment wurde durchgeführt. Unter realen Reaktionsbedingungen von 3 MPa, 120-240 °C, wurde die „dynamische Spur“ eines wichtigen Zwischenstoffs erfolgreich erfasst:

• Bei 120 °C wurden die Signale HOCO* (1652 cm-1, 1540 cm-1) und CO* (2077 cm-1, 2057 cm-1) detektiert, was zeigt, dass CO2 zuerst in HOCO* umgewandelt und dann in CO* aufgelöst wird;

• Bei 200 °C wird das Signal von H3CO* (981 cm-1, 1051 cm-1) verstärkt, was beweist, dass CO* sich zu einem Methanol-Vorläufer verwandelt;

•240℃ 时，H₃COSignal, ohne HCOO zu erkennen(Format) Charakteristik Spitze, die direkt bestätigt, dass die Reaktion folgt "RWGS (Reverse Water Gas Transformation) + CO Hydrogenation" Pfad anstelle der herkömmlichen Format Pfad.

"Diese Entdeckung zeigt die frühere Erkenntnis der Reaktionswege eines teils Cu-basierten Katalysators und bietet eine klare Orientierung für die Entwicklung eines nachfolgenden Katalysators." ”

Leistungsfähiger Katalysator für industrielle Anwendungen

Unter Reaktionsbedingungen von 240 °C und 3 MPa kann der Cu-ZnO/Nb2 C@Nb2 O5-Katalysator als "" bezeichnet werden:

• Methanol-Ausbeute von 247 mg/(gcat·h), weit höher als die meisten berichteten Cu-basierten Katalysatoren;

• Methanol-Selektivität 74,3%, effektiv hemmt Nebenprodukt CO-Produktion;

• 60 Stunden kontinuierlicher Betrieb, CO2-Umwandlung, Methanol-Selektivität und Ausbeute sind nahezu unveränderlich und die Strukturstabilität ist ausgezeichnet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Cu/ZnO/Al₂O3-Katalysatoren löst dieser neue Katalysator nicht nur den Schmerzpunkt der „kurzen Lebensdauer und geringen Selektivität“, sondern lässt auch durch die Regulierbarkeit des MXene-Materials viel Platz für eine weitere Leistungsoptimierung. "Als nächster Schritt planen wir, die Elektroneninteraktion von Nb-Stellen mit Cu weiter zu verstärken und die Reaktionseigenschaften bei höheren Drucken und Temperaturen zu erforschen, um sie in industrielle Anwendungen zu fördern." ”

(Dieser Artikel basiert auf den Forschungsergebnissen des Teams der Universität von Zhejiang. Die Kerndaten und die Mechanismenalyse des Originals wurden durch strenge experimentelle Verifikationen überprüft. Wenn Sie mehr erfahren möchten, können Sie den Original oder das Team kontaktieren, um Unterstützungsinformationen zu erhalten.)

Das in der Studie erwähnte Fourier-Transformationsinfrarotspektrometer ist das Fourier-Transformationsinfrarotspektrometer der Forschungsklasse iCAN5000, das mit der Tianjin Energy Spectrum Technology hergestellt wurde:

• Interferometer: Magnetisch schwimmende Interferometer-Technologie mit 3D-Lasersteuerung, vollautomatischer Einstellung und hoher Geschwindigkeit-Scan-dynamischer Direktsteuerung, garantiert hohe Stabilität und Genauigkeit bei langfristigen Erkennungen, ohne spektrale Abweichungen und Verzerrungen. Gute Zuverlässigkeit, Stabilität und Störungsbeständigkeit;

• Optisches System: alle mit goldenen Spiegeln, mit trockenen und geschlossenen optischen Tischgehäusen aus voller Legierung, optische Leitungen und Anziehungsmöglichkeiten, die mit einer Anti-Spray-Beschichtung ausgestattet sind, mit einer hohen Stabilität und Trocknungsfeuchtigkeit. Der optische Tisch und das Probenlager sind unabhängig voneinander aufgebaut, so dass ein sehr großes Probenlager eine Vielzahl von Anwendungen zur Infrarotanalyse erweitern kann.

• Detektor: Optional hochempfindliche DLATGS, elektronische Kühlung MCT, flüssiger Stickstoff-Kühlung MCT usw.

• Solid State Laser: Stabile Leistung mit einer Lebensdauer von bis zu 10 Jahren

• Lichtquelle: importierte Lichtquelle mit hoher Leistung und langer Lebensdauer, die Lichtquelle hat eine automatische Schlaffunktion.