CO2加氢制甲醇模型催化剂的构建及其表界面结构调控与反应特性的研究
批准号:
91645119
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
75.0 万元
负责人:
陈礼敏
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
余莲、孙玉海、任泉明、鲍云峰、孙西勃、王晶、黄春蕾
中文摘要
针对碳基小分子CO2加氢制甲醇过程中水的副作用、催化剂表界面活性位结构及反应机理有争议等问题,项目构建了两种新型高活性模型催化剂,富含高活性极性面盘状ZnO负载的Cu及Cu掺杂的薄盘状ZnO;结合实际催化体系,设计相关处理条件,排除干扰对比研究模型催化剂表界面微观结构的变化,建立催化剂表界面局域原子和电子结构的精准设计与构建规律;结合催化性能,获得催化剂表界面活性位的微观结构;通过原位-动态表征揭示CO2活化与定向转化机制,发展通过催化剂表界面结构调控以提高催化特性的新方法,实现CO2低能高效转化制甲醇。模型催化剂的构建可有效消除表面科学与理论模拟中的物质鸿沟、压力鸿沟,有效减少“理论与实际”之间的偏差。研究成果有助于进一步认识CO2与合成气制甲醇中催化剂表界面结构与反应机理的异同点,为寻求高效、稳定的催化剂和催化机理研究提供一种新思路,为CO2制甲醇的工业化提供理论支撑与技术指导。
英文摘要
Aiming at the negative effects of product water, controversial active site microstructures on catalyst surface and interface and the disagreement on catalytic mechanism of CO2 hydrogenation to methanol, this project constructs two novel and highly active model catalysts, ZnO plate, exposed large amount of highly active polar surface, supported Cu as well as Cu doped ZnO plate. According to the real catalytic system, various pretreatment conditions are designed, enabling the research of the microstructures of model catalyst surface and interface without any interference due to their clear structures. Then, the accurate design and construction rules of the catalyst local surface and interface atom and electron structures can be established. Combined with the catalyst performance, the active site microstructures on catalyst surface and interface can be revealed. Further, the interaction mechanisms between the catalyst surface and interface and the adsorbed species, reactive intermediate species and products will be investigated through operando characterization techniques, disclosing the CO2 activation mechanism and its directional transformation mechanism, developing a novel method to improve the catalytic properties through the regulation of the structure of the catalyst surface and interface, realizing CO2 hydrogenation to methanol with high efficiency and low energy consumption. In comparison with the catalyst model in surface science and theory simulation, the model catalysts in this project effectively eliminate the material gap and pressure gap, reducing the deviation between “theory and practice” effectively. The project results will help to further understand the similarities and differences between the active sites of the catalyst surface and interface and the reaction mechanism in the methanol synthesis from CO2 and syngas, provide a new idea for the search of highly efficient and robust catalysts and the study of the catalytic mechanisms and also offer fundamental support and technical guidance to commercialize CO2-to-methanol technology.
商业合成甲醇的Cu/ZnO/Al2O3催化剂用于CO2加氢制甲醇时由于热力学平衡的限制和逆水煤气变换反应使CO2的转化率偏低、甲醇的选择性也很低,甲醇的收率因此也很低。目前主流观点认为Cu-ZnO催化剂中甲醇的生成位点是催化剂经H2还原时体相ZnO迁移至金属Cu纳米颗粒表面形成的ZnOx-CuNP-ZnO界面;但是该界面中甲醇的生成是通过CO2直接加氢,还是通过逆水煤气反应生成CO然后进一步加氢生成,目前并不清楚。此外,在负载型Cu-ZnO基催化剂中必然存在直接接触的Cu-ZnO界面,此界面是否会产生甲醇、发生逆水煤气变换反应也不清楚。为探究这两种界面上甲醇的生成以及逆水煤气反应的性能,设计了Cu掺杂的盘状ZnO(ZnO:Cu)用以模拟直接接触的Cu-ZnO界面和负载型Cu/盘状ZnO模型催化剂用于模拟直接接触的Cu-ZnO界面和ZnOx-CuNP-ZnO界面,对比研究了两种模型催化剂用于高压制甲醇以及常压下的逆水煤气变换反应性能,以其揭示直接接触的Cu-ZnO界面和ZnOx-CuNP-ZnO界面上两种反应性能的差别,阐明Cu-ZnO基催化剂用于CO2加氢制甲醇时选择性较低的原因。研究成果主要体现在三个方面:Cu/ZnO基催化剂对CO2加氢制甲醇的催化性能具有明显的Cu NPs形貌依赖性; Cu、Zn合金的生成不利于CO2加氢至甲醇;对比研究两种模型催化剂发现甲醇生成主要发生在ZnOx-CuNP-ZnO界面,直接接触的Cu-ZnO界面和ZnOx-CuNP-ZnO界面均会发生RWGS反应,导致Cu-ZnO基催化剂催化CO2加氢制甲醇时选择性较低。
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Adsorption of VOCs on reduced graphene oxide
还原氧化石墨烯对 VOC 的吸附
DOI:
10.1016/j.jes.2017.08.022
发表时间:
2018-05-01
期刊:
JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES
影响因子:
6.9
作者:
[Yu, Lian, Wang, Long, Ye, Daiqi]
通讯作者:
Ye, Daiqi
Chemical Fixation of CO2 by Using Carbon Material-Grafted N-Heterocyclic Carbene Silver and Copper Complexes
碳材料接枝N-杂环卡宾银铜配合物化学固定CO2
DOI:
10.1021/acsanm.8b01679
发表时间:
2018-10
期刊:
ACS Applied Nano Materials
影响因子:
5.9
作者:
[Ziqi Zhang, Hui Gao, Hongpan Wu, Yunwen Qian, Limin Chen, Jinzhu Chen]
通讯作者:
Jinzhu Chen
Roles of nitrogen species on nitrogen-doped CNTs supported Cu-ZrO2 system for carbon dioxide hydrogenation to methanol
氮物种对氮掺杂碳纳米管支持的 Cu-ZrO2 体系二氧化碳加氢制甲醇的作用
DOI:
10.1016/j.cattod.2017.04.017
发表时间:
2018-06-01
期刊:
CATALYSIS TODAY
影响因子:
5.3
作者:
[Sun, Yuhai, Chen, Limin, Ye, Daiqi]
通讯作者:
Ye, Daiqi
Ag supported on CeO2 with different morphologies for the catalytic oxidation of HCHO
不同形貌的 CeO2 负载 Ag 用于 HCHO 的催化氧化
DOI:
10.1016/j.cej.2017.11.121
发表时间:
2018-02
期刊:
Chemical Engineering Journal
影响因子:
15.1
作者:
[Yu Lian, Peng Ruosi, Chen Limin, Fu Mingli, Wu Junliang, Ye Daiqi]
通讯作者:
Ye Daiqi
Highly efficient Cu/anatase TiO2 {001}-nanosheets catalysts for methanol synthesis from CO2
用于 CO2 合成甲醇的高效 Cu/锐钛矿 TiO2 {001}-纳米片催化剂
DOI:
10.1016/j.jechem.2017.12.015
发表时间:
2018
期刊:
Journal of Energy Chemistry
影响因子:
13.1
作者:
[Bao Yunfeng, Huang Chunlei, Chen Limin, Zhang Yu Dong, Liang Long, Wen Jinjun, Fu Mingli, Wu Junliang, Ye Daiqi]
通讯作者:
Ye Daiqi
共 11 条
以火电厂烟气为碳源制备绿色甲醇Cu-ZnO-Al2O3催化剂的SO2中毒机制研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:15.0万元
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批准年份:2024
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负责人:陈礼敏
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依托单位:
CO2氧化乙烷脱氢制乙烯特定结构Co基催化剂的构筑及催化性能研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:陈礼敏
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依托单位:
缺陷调控CO2加氢制甲醇模型催化剂表界面结构及反应特性的动态可视化研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2019
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负责人:陈礼敏
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依托单位:
原位动态高分辨电子显微镜研究CO2加氢制甲醇模型催化剂:缺陷调控催化剂表界面结构及反应特性
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批准号:21976059
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2019
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负责人:陈礼敏
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依托单位:
CO2能源化导向的氮掺杂碳纳米管负载Cu催化剂的构建及其构效关系的研究
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批准号:21207039
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2012
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负责人:陈礼敏
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依托单位:
国内基金
海外基金