Alkali-dekorerede mikromiljøer hjælper Cu-enkeltatom-katalysatorer i CO₂-hydrogenering

Siden fremkomsten af ​​den industrielle revolution, akkumulering af kuldioxid (CO₂ ) i jordens atmosfære har rejst betydelige miljø- og klimaproblemer. Som et svar på denne presserende udfordring, omdannelsen af ​​CO₂ til kemikalier og/eller brændstoffer gennem direkte hydrogenering er opstået som en bredt anerkendt og tvingende strategi til at afbøde både CO₂ emissioner og fossilt brændstofforbrug.

Blandt rækken af ​​katalysatorer, der er undersøgt for CO₂ hydrogenering har kobber (Cu)-baserede katalysatorer fået stigende opmærksomhed for deres lovende potentiale i produktionen af ​​methanol. På trods af den lovende katalytiske aktivitet, som Cu-baserede katalysatorer udviser, er deres praktiske anvendelse i CO₂ hydrogenering står over for en betydelig vanskelighed som følge af de Cu-baserede aktive centres iboende reduktion og aggregeringstendenser, især ved de forhøjede driftstemperaturer.

Denne tilbøjelighed til reduktion og aggregering kan potentielt resultere i større Cu-partikler, som følgelig mindsker CO₂ hydrogeneringsaktivitet og fører til dannelse af uønskede CO-biprodukter. Som et resultat heraf udgør dette en betydelig hindring for samtidig opnåelse af den ønskede høje katalytiske aktivitet og methanolselektivitet, hvilket er gavnligt til industrielle anvendelser i stor skala.

For at imødegå disse udfordringer har forskerholdet ledet af professor Hai-Long Jiang fra University of Science and Technology of China (USTC) foreslået en ny strategi, der sigter på at immobilisere og stabilisere enkelt-atom Cu-steder inden for en metal-organisk ramme-baseret katalysator ved at skabe Na ⁺ indrettet mikromiljø i umiddelbar nærhed. Værket er publiceret i tidsskriftet National Science Review .

Gennem omfattende eksperimentelle og teoretiske beregningsundersøgelser har de afdækket vigtigheden af ​​Na ⁺ -dekoreret mikromiljø omkring enkeltatoms Cu-steder. Dette mikromiljø spiller en afgørende rolle i at opretholde atomspredningen af ​​Cu-steder under CO₂ hydrogeneringsproces, selv ved høje temperaturer, der når op til 275°C, gennem den elektrostatiske interaktion mellem Na ⁺ og H ^δ- art.

Denne enestående stabiliseringseffekt af enkeltatomare Cu-steder har givet katalysatoren fremragende CO₂ hydrogeneringsaktivitet (306 g·kg_kat ^-1 ·h ^-1 ), høj selektivitet over for methanol (93 %) og langtidsstabilitet, der langt overgår dens modstykke uden tilstedeværelsen af ​​Na ⁺ .

Dette arbejde fremmer ikke kun udviklingen af ​​Cu-baserede katalysatorer til selektiv CO₂ hydrogenering til methanol, men introducerer også en effektiv strategi til fremstilling af stabile enkeltatomsteder i avanceret katalyse ved at skabe alkali-dekorerede mikromiljøer i umiddelbar nærhed.

Flere oplysninger: Li-Li Ling et al., fremmet hydrogenering af CO2 til methanol over enkeltatomer Cu-steder med Na+ dekoreret mikromiljø, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae114

Leveret af Science China Press