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原标题:江南大学刘小浩教授团队ACS Catalysis:钴基费托合成反应中活性和选择性相关研究进展
近日,江南大学刘小浩教授团队利用原位表征技术和量子化学计算等手段在揭示钴基费托合成反应中氧化亚钴(CoO)活性中心、纳米粒子表面金属钴(Co)原子(晶面/晶边、角)落位相关的结构演变行为及其对甲烷选择性的影响,及Co与ZrO2界面效应等基础科学问题的研究中取得重要进展,研究成果发表在催化领域Top期刊《ACS Catalysis》(ACS Catal. 2020, 10, 2799-2816),该论文江南大学化工学院硕士研究生方雪瑾和青年教师刘冰副教授为共同第一作者,华中科技大学机械学院陈蓉教授和江南大学化工学院刘小浩教授为共同通讯作者。
图1.反应条件下(240°C, 1MPa, H2/CO =2)的原位X射线衍射(In situ XRD)图谱
费托合成是将煤/天然气/生物质基合成气(H2/CO/CO2)直接转化为超清洁燃料和高价值化学品的重要技术途径之一,为保障国家能源战略安全具有重要的现实意义。钴基费托合成反应由于其低水煤气变换反应活性(低CO2选择性,高的碳原子利用效率)引起学术界和工业界的浓厚兴趣。然而,钴基费托催化剂的表面反应过程极其复杂,对反应活性中心的认知和反应机理决定的产品选择性调控,特别是降低不期望的甲烷产物的生成是极具挑战性的研究课题。江南大学化工学院刘小浩教授团队通过设计构建模型催化剂、利用原位表征技术,并结合量子化学计算,在揭示制约提高钴基费托催化剂稳定性和降低低价值的甲烷产物选择性的关键科学问题方面取得重要进展。图2. 钴纳米粒子尺寸大小对甲烷选择性演变的影响及Co-ZrO2界面效应
通过近一个世纪的研究,对钴基费托合成这个经典非均相催化反应的反应特征基本形成了共识。传统的观念认为金属钴(metallic Co)是催化剂的活性中心,金属钴的氧化形成氧化亚钴(CoO)是催化剂失活的重要途径之一。此外,本研究工作构建了Co-ZrO2界面探索其费托合成反应特点,结果表明:金属钴(Co)上的电子能溢流到Co-ZrO2界面处,大幅提高CO分子在界面处钴活性位点上的吸附和解离(图2),从而使钴活性中心的转换频率(TOF)提高了6~8倍,表面增加的C*/H*比也明显降低甲烷选择性,SiO2载体表面高度分散的ZrO2纳米粒子的修饰能有效抑制金属钴原子氧化形成的氧化亚钴与硅羟基的反应,获得更稳定的甲烷选择性。该项研究为开发具有高活性、低甲烷和优异的催化稳定性的钴基费托催化剂提供了重要的科学理论基础。
来源:tryingchem 化学加
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