化石能源的大量消耗使溫室氣體排放量急劇增加,引起了全球變暖等日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問(wèn)題。以二氧化碳和可再生能源產(chǎn)生的氫為原料直接合成高附加值的燃料及化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)碳資源清潔高效利用的有效途徑。在鐵催化劑上,堿金屬助劑(如K和Na等)可有效促進(jìn)合成烯烴,但在分子水平上的影響機(jī)制以及如何選擇合適的助劑種類(lèi)尚待研究。
該團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上(Nat. Commun. 2017, 8, 15174; ACS Catal. 2018, 8, 9958; Commun. Chem. 2018, 1, 11),通過(guò)改變助劑類(lèi)型及其與Fe/C催化劑間的空間尺度,實(shí)現(xiàn)了二氧化碳加氫制高附加值烯烴的選擇性調(diào)控,使單程轉(zhuǎn)化率大于32%,烯烴選擇性達(dá)到75%,高附加值烯烴收率可達(dá)20%。研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)條件下,不同K助劑修飾的Fe/C催化劑呈現(xiàn)出截然不同的催化性能,不可碳化的K助劑(K2SO4/KCl)修飾的Fe/C催化劑主要生成烷烴和少量烯烴,而可碳化的K助劑(K2CO3, KHCO3, KOH, CH3COOK等)修飾后生成大量的乙烯、丙烯和線(xiàn)性a-烯烴。原位XRD、高分辨透射電鏡、穆斯堡爾譜等表征結(jié)果說(shuō)明,二氧化碳通過(guò)參與可碳化K助劑的循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)提高K物種向Fe表面的遷移能力,促進(jìn)高活性Fe5C2-K2CO3界面的形成。同時(shí),K與Fe催化劑間的空間尺度會(huì)明顯影響Fe5C2-K2CO3界面的形成程度,進(jìn)而改變反應(yīng)性能。
該工作為設(shè)計(jì)和優(yōu)化用于二氧化碳加氫制備高附加值化學(xué)品的研究提供了新思路,同時(shí)也為間歇性可再生能源的利用開(kāi)辟了新途徑。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)出版的ACS Catalysis上,同時(shí)被選為Cover論文。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、興遼英才青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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