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【中國科學報】一種高選擇性、高活性的新型催化劑研制成功

來源: 時間:2021-11-25

  记者/朱汉斌      来源/中国科学报

  近日,广东省科学院测试分析研究所(中国广州分析测试中心)光电功能材料与器件研究团队研发了一种高选择性、高活性的新型催化剂HCN-A。 相关研究近日发表于《能源与环境科学》。目前,该团队正基于HCN-A催化体系设计流动相反应器,推动光催化CO2制乙醛的产业化应用。

  當前,我國明確提出要大力發展低碳可再生能源産業,加快可再生能源發展零碳、負碳技術,減少CO2排放,加強CO2高值化轉化,推動能源低碳轉型。

  光催化還原CO2可利用半導體材料,在太陽能的驅動下,將CO2催化轉化爲碳氫燃料、高附加價值化學品,這種技術對推動能源低碳轉化和綠色可持續發展非常重要。目前多種光催化材料被用來制備C1産物如CO、HCOOH或CH4。

  從經濟角度看,將CO2轉化爲C2等液體産物將更具價值,但技術層面也更具挑戰性。這是因爲CO2還原過程中通過C-C偶聯生成C2産物涉及到非常複雜的反應步驟和多個反應路徑,尤其是目前能夠高效、高選擇性地生成乙醛的催化體系非常罕見。此外,從CO2還原制乙醛(CH3CHO)的反應中間態的調控機制尚未有系統研究。

  研究人員設計開發了一種新型局域結晶態的聚合型氮化碳PCN光催化劑(HCN-A),HCN-A具有局域晶態結構和優異的光催化還原CO2性能,能在常溫常壓下高選擇性(98.3%)將CO2光催化還原成CH3CHO,産率高達1814.7μmolh-1g-1,385nm和420nm光激發下的量子效率分別爲22.4%和13.3%,是目前光催化CO2産乙醛的最高紀錄。

  結合原位紅外光譜技術、同位素示蹤技術、原位電子順磁共振技術以及基于第一性原理的理論計算等手段對其反應機理及中間態進行分析。原位紅外測試表明,HCN-A在光照下會生成CO2還原制CH3CHO反應中的關鍵中間體*OCCHO。與未改性的HCN不同,HCN-A表面沒有發現*CH2O中間體,因此HCN-A催化體系不産生甲醛副産物。

  進一步的DFT理論計算分析表明,在HCN-A表面*CHO和*CO經C-C偶聯生成*OCCHO是一個自發的放熱過程,這是HCN-A還原CO2生成CH3CHO具有高選擇性的重要原因。

  該研究成果——HCN-A新型催化劑,可直接利用太陽能將CO2高效轉化爲乙醛,並采用原位紅外分析技術表征了催化過程的中間態,揭示了反應過程新機理。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1039/D1EE02073K

  科學網2021年11月24日報道鏈接:

  http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/11/469540.shtm

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