物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (9): 2308005.doi: 10.3866/PKU.WHXB202308005
李亚晋1, 刘会敏2,*(
), 马兰3, 刘佳雄1, 贺德华1,*(
)
收稿日期:2023-08-03
修回日期:2023-10-06
录用日期:2023-10-10
发布日期:2023-10-16
通讯作者:
Email: hedeh@mail.tsinghua.edu.cn (贺德华)liuhuimin08@tsinghua.org.cn; Tel.: +86-13522893188 (刘会敏)
基金资助:
Yajin Li1, Huimin Liu2,*(
), Lan Ma3, Jiaxiong Liu1, Dehua He1,*(
)
Received:2023-08-03
Revised:2023-10-06
Accepted:2023-10-10
Published:2023-10-16
Contact:
Email: hedeh@mail.tsinghua.edu.cn (Dehua He)liuhuimin08@tsinghua.org.cn; Tel.: +86-13522893188 (Huimin Liu)
Supported by:摘要:
CO2与丙三醇羰基化合成丙三醇碳酸酯是一项前景广阔的CO2利用途径。尽管该反应可以通过热驱动的催化途径实现,但受热力学平衡的限制。在本研究中,我们开发了xAu/20Co3O4-ZnO系列催化剂,并引入太阳光辐射能量来实现光热协同催化反应,以突破热力学限制。由p型半导体Co3O4和n型半导体ZnO复合而成的Co3O4-ZnO氧化物具有异质结构,而负载于Co3O4-ZnO表面的Au纳米粒子具有局域表面等离子体共振(LSPR)效应。我们研究了xAu/20Co3O4-ZnO的可见光吸收性能、光生电子-空穴对分离效率以及Au添加对xAu/20Co3O4-ZnO催化剂光热协同催化性能的影响。此外,我们还研究了Au掺杂对xAu/20Co3O4-ZnO的体相和表面性质(晶相结构、形貌、比表面积、元素结合能、表面酸碱性、还原行为)的影响。研究结果显示,Au/20Co3O4-ZnO的异质结构有助于吸收可见光并提高电子-空穴对的分离效率。负载于Co3O4-ZnO表面的Au纳米颗粒约为50 nm,Au的加入改变了Zn和Co的电子密度,增强了Co物种的还原性,并增加了Co3O4-ZnO表面的氧空位。此外,Au纳米粒子的LSPR进一步提高了Au/20Co3O4-ZnO的可见光吸收能力,并改善了光生电子-空穴对的分离,从而提高了光热协同催化性能。在优化的条件下(150 ℃、5 MPa、6 h、25 W可见光照射),2%Au/20Co3O4-ZnO表现出良好的光热协同催化性能,丙三醇碳酸酯的产率为6.5%。这项工作有望为合理设计更好的CO2-丙三醇羰基化制丙三醇碳酸酯光热催化剂提供参考。
李亚晋, 刘会敏, 马兰, 刘佳雄, 贺德华. Au/Co3O4-ZnO催化剂上CO2-丙三醇羰基化合成丙三醇碳酸酯[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9), 2308005. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308005
Yajin Li, Huimin Liu, Lan Ma, Jiaxiong Liu, Dehua He. Photothermal Synthesis of Glycerol Carbonate via Glycerol Carbonylation with CO2 over Au/Co3O4-ZnO Catalyst[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(9), 2308005. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308005
表2
"
| Catalyst | Base sites (μmolCO2∙g−1) | Total base sites (μmol CO2∙g−1) | ||
| Weak (< 250 ºC) | Medium (250–450 ºC) | Strong (> 450 ºC) | ||
| 20Co3O4-ZnO | 33.08 (74% a) | 10.49 (23%) | 1.27 (3%) | 44.84 |
| 0.5%Au/20Co3O4-ZnO | 22.68 (55%) | 3.94 (10%) | 14.25 (35%) | 40.87 |
| 1%Au/20Co3O4-ZnO | 18.12 (54%) | 2.28 (7%) | 12.86 (39%) | 33.26 |
| 2%Au/20Co3O4-ZnO | 17.86 (53%) | 2.06 (6%) | 13.40 (40%) | 33.32 |
表5
"
| Catalyst | Reaction conditions | Performance | Reference |
| Au/Co3O4-ZnO | 100 mL stainless steel autoclave, 10 mmol glycerol, 0.50 g catalyst, 20 mL dimethyl fumarate, 150 ℃, 5 MPa CO2, 6 h and 225 W visible light irradiation. | 6.5% glycerol carbonate yield. | This work |
| Zn-doped CeO2 | 50 mL high-pressure reactor, 0.92 g glycerol (10 mmol), 0.17 g catalyst, 3.12 g 2-cyanopyridine, 10 mL dimethylformamide, 150 ℃, 40 bar (1 bar = 0.1 MPa) CO2 pressure, and 5 h. | 19.1% glycerol conversion and 18.9% glycerol carbonate yield. | |
| La/ZIF-8 | 100 mL stainless steel autoclave, 0.1 g catalyst, 7 bar CO2, 150 ℃, in the presence of MgCO3 as the dehydrating agent. | 46.5% glycerol conversion and 35.3% glycerol carbonate yield. | |
| CeO2 | 100 mL stainless steel autoclave, 10 mmol glycerol, 0.34 g CeO2, 30 mmol 2-cyanopyridine, 10 mL dimethyl formamide, 150 ℃, 4 MPa and reaction time 5 h. | 20.8% glycerol carbonate yield. | |
| Cu/La2O3 | 100 mL stainless steel autoclave, glycerol 50 mmol, acetonitrile 10 mL, catalyst 0.08 g, 150 ℃, CO2 7 MPa, 3 h. | 8.9% glycerol conversion and 29.3% selectivity towards glycerol carbonate. | |
| Zn/Al/La/X (X = F, Cl, Br) | 50 mL stainless-steel autoclave, 4.60 g glycerol, 0.14 g catalyst and 5.0 mL acetonitrile, CO2 4.0 MPa, 170 ℃ for 12 h. | 35.5% glycerol conversion and 16.0% glycerol carbonate yield. | |
| La2O2CO3-ZnO | 100 mL stainless steel autoclave, 0.92 g glycerol, 0.50 g catalyst, 20 mL of N, N-dimethylformamide, 150 ℃, 5.5 MPa CO2, and reaction time of 6 h, visible light irradiation. | 6.9% glycerol conversion and 6.1% glycerol carbonate yield. | |
| Au/ZnWO4-ZnO | 100 mL stainless steel autoclave, 10 mmol glycerol, 1.0 g catalyst, 20 mL N, N-dimethylformamide, 5.0 MPa CO2, 150 ℃, 6 h, with 250 W visible light irradiation. | 8.4% glycerol carbonate yield. |
| 1 |
doi: 10.1038/s41586-019-1681-6 |
| 2 |
doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00723 |
| 3 |
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| 4 |
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doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.104 |
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| 7 |
doi: 10.1039/c8cs00607e |
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doi: 10.1016/j.jcat.2018.03.014 |
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| 11 |
doi: 10.1021/acscatal.7b04150 |
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doi: 10.1016/j.cattod.2015.04.012 |
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doi: 10.1016/j.mcat.2017.03.025 |
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doi: 10.1002/adom.201801433 |
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doi: 10.1016/j.cej.2019.122511 |
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doi: 10.1021/ef800209a |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2013.07.026 |
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