物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (5): 2009101.doi: 10.3866/PKU.WHXB202009101
所属专题: CO2还原
李聪明1,*(), 陈阔1, 王晓月1, 薛楠2, 杨恒权2,*(
)
收稿日期:
2020-09-30
录用日期:
2020-10-30
发布日期:
2020-11-06
通讯作者:
李聪明,杨恒权
E-mail:licongming0523@163.com;hqyang@sxu.edu.cn
基金资助:
Congming Li1,*(), Kuo Chen1, Xiaoyue Wang1, Nan Xue2, Hengquan Yang2,*(
)
Received:
2020-09-30
Accepted:
2020-10-30
Published:
2020-11-06
Contact:
Congming Li,Hengquan Yang
E-mail:licongming0523@163.com;hqyang@sxu.edu.cn
About author:
Email:hqyang@sxu.edu.cn (H.Y.)Supported by:
摘要:
利用可再生绿氢和二氧化碳生产甲醇是未来解决二氧化碳排放的根本途径之一,而研发高效稳定的甲醇合成催化剂是决定整个合成工艺的关键因素之一。负载型催化剂(金属纳米颗粒负载在载体表面)在甲醇合成反应中占有重要地位,而金属-载体相互作用常被用来稳定金属颗粒,调控催化剂活性、选择性和稳定性。尽管对金属-载体相互作用进行了大量研究,但是关于不同强度金属-载体相互作用对催化剂的结构和性能影响的理解仍然是匮乏的。本工作合成了三种具有不同强度金属-载体相互作用的Cu/ZnO-SiO2催化剂,探究了其对CO2加氢制甲醇反应性能的影响。H2-TPR和XPS表征结果表明,通过改变沉淀顺序可以调变Cu/ZnO-SiO2催化剂中金属-载体相互作用,FT-IR结果证实了Cu物种均以CuO的形式存在。TEM、XRD和N2O化学吸附结果表明Cu/ZnO强的相互作用促进了Cu物种的分散,提高了CO2转化率和催化剂的稳定性。正如预期,Re-CZS催化剂实现了最高的CO2转化率(12.4%),而Co-CZS催化剂与Nor-CZS催化剂的CO2转化率分别为12.1%和9.8%。反应相同时间后,标准化的CO2转化率降低顺序是:Re-CZS (75%) > Co-CZS (70%) > Nor-CZS (65%)。与Co-CZS和Nor-CZS催化剂不同,Re-CZS催化剂的甲醇选择性随着反应进行逐步增加而后趋于稳定。对该催化剂在反应过程中的结构演变进行表征,结果显示,Re-CZS催化剂Cu/ZnO间强的相互作用引起了催化剂结构重构,促使体相中的ZnO物种向催化剂表面Cu物种迁移,形成了更多的Cu/ZnO界面,有利于甲醇的生成。本工作为合理设计有效催化剂提供一个可行策略。
李聪明, 陈阔, 王晓月, 薛楠, 杨恒权. 探究Cu/ZnO相互作用对CO2加氢制甲醇反应性能的影响[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5), 2009101. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009101
Congming Li, Kuo Chen, Xiaoyue Wang, Nan Xue, Hengquan Yang. Understanding the Role of Cu/ZnO Interaction in CO2 Hydrogenation to Methanol[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(5), 2009101. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009101
Table 5
Relative contents of deconvoluted peaks from CO2-TPD."
Sample | Relative content (%) | Number of basic sites (μmol·g-1) | |||||
Peak 1 | Peak 2 | Peak 3 | Peak 1 | Peak 2 | Peak 3 | ||
Re-CZS-0 | 15.84 | 70.84 | 13.71 | 27.09 | 121.14 | 23.44 | |
Re-CZS-8 | 14.57 | 58.68 | 26.75 | 28.12 | 113.25 | 51.63 | |
Re-CZS-40 | 13.51 | 50.02 | 36.47 | 22.70 | 84.03 | 61.27 |
1 |
García-Trenco A. ; Regoutz A. ; White E. R. ; Payne D. J. ; Shaffer M. S. P. ; Williams C. K. Appl. Catal. B 2018, 220, 9.
doi: 10.1016/j.apcatb.2017.07.069 |
2 |
Reichenbach T. ; Walter M. ; Moseler M. ; Hammer B. ; Bruix A. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 30903.
doi: 10.1021/acs.jpcc.9b07715 |
3 |
Li M. M. -J. ; Tsang S. C. E. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 3450.
doi: 10.1039/C8CY00304A |
4 |
Grabow L. C. ; Mavrikakis M. ACS Catal. 2011, 1, 365.
doi: 10.1021/cs200055d |
5 |
Zhong J. ; Yang X. ; Wu Z. ; Liang B. ; Huang Y. ; Zhang T. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1385.
doi: 10.1039/c9cs00614a |
6 |
van Deelen T. W. ; Hernández Mejía C. ; de Jong K. P. Nat. Catal. 2019, 2, 955.
doi: 10.1038/s41929-019-0364-x |
7 |
Yoshihara J. ; Parker S. C. ; Schafer A. ; Campbell C. T. Catal. Lett. 1995, 31, 313.
doi: 10.1007/BF00808595 |
8 |
Yoshihara J. ; Campbell C. T. J. Catal. 1996, 161, 776.
doi: 10.1006/jcat.1996.0240 |
9 |
Fujitani T. ; Matsuda T. ; Kushida Y. ; Ogihara S. ; Uchijima T. ; Nakamura J. Catal. Lett. 1997, 49, 175.
doi: 10.1023/A:1019069708459 |
10 |
Choia Y. ; Futagamia K. ; Fujitani T. ; Nakamuraa J. Appl. Catal. A 2001, 208, 163.
doi: 10.1016/S0926-860X(00)00712-2 |
11 |
Kuld S. ; Thorhauge M. ; Falsig H. ; Elkjær C. F. ; Helveg S. ; Chorkendorff I. ; Sehested J. Science 2016, 352, 969.
doi: 10.1126/science.aaf0718 |
12 |
Xie C. ; Niu Z. ; Kim D. ; Li M. ; Yang P. Chem. Rev. 2020, 120, 1184.
doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00220 |
13 |
Kattel S. ; Ramírez P. J. ; Chen J. G. ; Rodriguez J. A. ; Liu P. Science 2017, 355, 1296.
doi: 10.1126/science.aal3573 |
14 |
Liao F. ; Huang Y. ; Ge J. ; Zheng W. ; Tedsree K. ; Collier P. ; Hong X. ; Tsang S. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2162.
doi: 10.1002/anie.201007108 |
15 |
Heenemann M. ; Millet M. -M. ; Girgsdies F. ; Eichelbaum M. ; Risse T. ; Schlögl R. ; Jones T. ; Frei E. ACS Catal. 2020, 10, 5672.
doi: 10.1021/acscatal.0c024000574 |
16 |
Lunkenbein T. ; Schumann J. ; Behrens M. ; Schlogl R. ; Willinger M. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4544.
doi: 10.1002/anie.201411581 |
17 |
Martin O. ; Mondelli C. ; Curulla-Ferré D. ; Drouilly C. ; Hauert R. ; Pérez-Ramírez J. ACS Catal. 2015, 5, 5607.
doi: 10.1021/acscatal.5b00877 |
18 |
Sun Y. ; Huang C. ; Chen L. ; Zhang Y. ; Fu M. ; Wu J. ; Ye D. J. CO2 Util 2020, 37, 55.
doi: 10.1016/j.jcou.2019.11.029 |
19 |
Chen K. ; Yu J. ; Liu B. ; Si C. ; Ban H. ; Cai W. ; Li C. ; Li Z. ; Fujimoto K. J. Catal. 2019, 372, 163.
doi: 10.1016/j.jcat.2019.02.035 |
20 |
Xin Q. ; Papavasiliou A. ; Boukos N. ; Glisenti A. ; Li J. P. H. ; Yang Y. ; Philippopoulos C. J. ; Poulakis E. ; Katsaros F.K. ; Meynen V. ; et al Appl. Catal. B 2018, 223, 103.
doi: 10.1016/j.apcatb.2017.03.071 |
21 |
Yin A. ; Guo X. ; Dai W. L. ; Fan K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 11003.
doi: 10.1021/jp902688b |
22 |
Batista J. ; Pintar A. ; Mandrino D. ; Jenko M. ; Martin V. Appl. Catal. A 2001, 206, 113.
doi: 10.1016/S0926-860X(00)00589-5 |
23 |
Zhao Y. ; Zhang Y. ; Wang Y. ; Zhang J. ; Xu Y. ; Wang S. ; Ma X. Appl. Catal. A 2017, 539, 59.
doi: 10.1016/j.apcata.2017.04.001 |
24 |
Tian J. ; Chen W. ; Wu P. ; Zhu Z. ; Li X. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 2624.
doi: 10.1039/c8cy00023a |
25 |
Chen L. ; Guo P. ; Qiao M. ; Yan S. ; Li H. ; Shen W. ; Xu H. ; Fan K. J. Catal. 2008, 257, 172.
doi: 10.1016/j.jcat.2008.04.021 |
26 |
Wang Y. ; Shen Y. ; Zhao Y. ; Lv J. ; Wang S. ; Ma X. ACS Catal. 2015, 5, 6200.
doi: 10.1021/acscatal.5b01678 |
27 |
Yue H. ; Zhao Y. ; Zhao S. ; Wang B. ; Ma X. ; Gong J. Nat. Commun. 2013, 4, 2339.
doi: 10.1038/ncomms3339 |
28 |
Xu X. ; Cao X. ; Zhao L. ; Wang H. ; Yu H. ; Gao B. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2013, 20, 358.
doi: 10.1007/s11356-012-0873-5 |
29 |
Constantinou D. A. ; Fierro J. L. G. ; Efstathiou A. M. Appl. Catal. B 2010, 95, 255.
doi: 10.1016/j.apcatb.2010.01.003 |
30 |
Ai P. ; Tan M. ; Reubroycharoen P. ; Wang Y. ; Feng X. ; Liu G. ; Yang G. ; Tsubaki N. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 6441.
doi: 10.1039/C8CY02093K |
31 |
Witoon T. ; Permsirivanich T. ; Donphai W. ; Jaree A. ; Chareonpanich M. Fuel Process. Technol. 2013, 116, 72.
doi: 10.1016/j.fuproc.2013.04.024 |
32 |
d'Alnoncourt R. N. ; Xia X. ; Strunk J. ; Loffler E. ; Hinrichsen O. ; Muhler M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 1525.
doi: 10.1039/B515487A |
33 |
Karelovic A. ; Ruiz P. Catal. Sci. Technol. 2015, 5, 869.
doi: 10.1039/C4CY00848K |
34 |
van den Berg R. ; Prieto G. ; Korpershoek G. ; van der Wal L. I. ; van Bunningen A. J. ; Lægsgaard-Jørgensen S. ; de Jongh P. E. ; de Jong K. P. Nat. Commun. 2016, 7, 13057.
doi: 10.1038/ncomms13057 |
35 |
Liu C. ; Yang B. ; Tyo E. ; Seifert S. ; DeBartolo J. ; von Issendorff B. ; Zapol P. ; Vajda S. ; Curtiss L. A. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8676.
doi: 10.1021/jacs.5b03668 |
36 |
Numpilai T. ; Wattanakit C. ; Chareonpanich M. ; Limtrakul J. ; Witoon T. Energy Convers. Manage. 2019, 180, 511.
doi: 10.1016/j.enconman.2018.11.011 |
37 |
Fujitani T. ; Nakamura J. Catal. Lett. 1998, 56, 119.
doi: 10.1023/A:1019000927366 |
38 |
van den Berg R. ; Parmentier T. E. ; Elkjær C. F. ; Gommes C. J. ; Sehested J. ; Helveg S. ; de Jongh P. E. ; de Jong K. P. ACS Catal. 2015, 5, 4439.
doi: 10.1021/acscatal.5b00833 |
39 |
Tisseraud C. ; Comminges C. ; Belin T. ; Ahouari H. ; Soualah A. ; Pouilloux Y. ; Le Valant A. J. Catal. 2016, 343, 106.
doi: 10.1016/j.jcat.2015.12.005 |
40 |
Gao P. ; Xie R. ; Wang H. ; Zhong L. ; Xia L. ; Zhang Z. ; Wei W. ; Sun Y. H. J. CO2 Util. 2015, 11, 41.
doi: 10.1016/j.jcou.2014.12.008 |
41 |
Gao P. ; Li F. ; Zhan H. ; Zhao N. ; Xiao F. ; Wei W. ; Zhong L. ; Wang H. ; Sun Y. J. Catal. 2013, 298, 51.
doi: 10.1016/j.jcat.2012.10.030 |
42 |
Hu B. ; Yin Y. ; Liu G. ; Chen S. ; Hong X. ; Tsang S. C. E. J. Catal. 2018, 359, 17.
doi: 10.1016/j.jcat.2017.12.029 |
43 |
Hansen P. L. ; Wagner J. B. ; Helveg S. ; Rostrup-Nielsen J. R. ; Clausen B. S. ; Topsoe H. Science 2002, 295, 2053.
doi: 10.1126/science.1069325 |
44 |
Behrens M. ; Studt F. ; Kasatkin I. ; Kuehl S. ; Haevecker M. ; Abild-Pedersen F. ; Zander S. ; Girgsdies F. ; Kurr P. ; Kniep B.-L. ; et al Science 2012, 336, 893.
doi: 10.1126/science.1219831 |
45 |
Zhan H. ; Li F. ; Gao P. ; Zhao N. ; Xiao F. ; Wei W. ; Zhong L. ; Sun Y. J. Power Sources 2014, 251, 113.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.037 |
46 |
Natesakhawat S. ; Ohodnicki P. R. ; Howard B. H. ; Lekse J. W. ; Baltrus J. P. ; Matranga C. Top. Catal. 2013, 56, 1752.
doi: 10.1007/s11244-013-0111-5 |
[1] | 李萌, 杨甫林, 常进法, Schechter Alex, 冯立纲. MoP-NC纳米球负载Pt纳米粒子用于高效甲醇电解[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2301005 -0 . |
[2] | 项景超, 李静君, 杨雪, 高水英, 曹荣. 阳离子镍基MOF自组装CdS/PFC-8催化剂用于可见光光催化选择性苯甲醇氧化耦合产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(4): 2205039 -0 . |
[3] | 卢俊文, 张书南, 周浩志, 黄超杰, 夏林, 刘晓放, 罗虎, 王慧. 负载Ir单原子和团簇的α-MoC催化剂用于高效催化CO2加氢制CO[J]. 物理化学学报, 2023, 39(11): 2302021 - . |
[4] | 汪婕, 刘贵高, 韵勤柏, 周希琛, 刘效治, 陈也, 程洪飞, 葛一瑶, 黄京韬, 胡兆宁, 陈博, 范战西, 谷林, 张华. 在4H晶相Au纳米带上外延生长非常规晶相4H-Pd基合金纳米结构用于高效甲醇电催化氧化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2305034 - . |
[5] | 刘影, 刘晓放, 夏林, 黄超杰, 吴兆萱, 王慧, 孙予罕. 以类水滑石为前驱体的Cu/ZnO/Al2O3催化剂用于COx加氢合成甲醇:CO在反应混合物中的作用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 2002017 - . |
[6] | 吕琳, 张立阳, 何雪冰, 原弘, 欧阳述昕, 张铁锐. 双功能型嵌入镍纳米颗粒的碳棱柱状微米棒电极用于电化学甲醇氧化助力的节能产氢[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2007079 - . |
[7] | 王艳秋, 钟子欣, 刘唐康, 刘国亮, 洪昕林. Cu@UiO-66衍生的Cu+-ZrO2界面位点用于高效催化CO2加氢制甲醇[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2007089 - . |
[8] | 安平, 付宇, 韦丹蕾, 郭杨龙, 詹望成, 张金水. 富氮空心蠕虫状碳材料的合成及其苯甲醇非金属选择性催化氧化的高活性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2001025 - . |
[9] | 李蒙刚, 夏仲泓, 黄雅荣, 陶璐, 晁玉广, 尹坤, 杨文秀, 杨微微, 于永生, 郭少军. 具有优异甲醇耐受性的Rh掺杂PdCu有序金属间化合物纳米粒子增强氧还原电催化[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 1912049 - . |
[10] | 许振民, 卞振锋. 光催化甲烷转化研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1907013 - . |
[11] | 吕翰林, 胡兵, 刘国亮, 洪昕林, 庄林. ZnO逆修饰小尺寸Cu/SiO2催化剂及其在CO2加氢制甲醇中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1911008 - . |
[12] | 张舒怡,鲍静娴,吴博,钟良枢,孙予罕. 甲烷/甲醇光催化转化研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 923 -939 . |
[13] | 郭锦成,林燕芬,田娜,孙世刚. Ru修饰Pd二十四面体纳米晶的合成及其甲醇电催化氧化性能[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 749 -754 . |
[14] | 尹雅芝,胡兵,刘国亮,周晓海,洪昕林. 利用ZnO@ZIF-8核壳结构构建高选择性、高稳定性的Pd/ZnO催化剂用于CO2加氢制甲醇[J]. 物理化学学报, 2019, 35(3): 327 -336 . |
[15] | 刘艳芳,胡兵,尹雅芝,刘国亮,洪昕林. 无表面活性剂条件下一锅法制备金属/氧化锌复合材料用于催化二氧化碳加氢制甲醇反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 223 -229 . |
|