高分散Ru/FeOx催化剂在二氧化碳选择加氢反应中的应用及其催化活性的调控

由于化石能源的大量开采和利用造成CO2过度排放,从而导致严重的温室效应和气候环境问题,给人类生存带来极大威胁.CO2选择加氢反应可以将CO2催化加氢生成高附加值的CO产物.与其他的CO2转化反应策略相比,该过程中H2的消耗更少,成为可有效处理及转化CO2的手段之一.同时,应尽可能抑制CO2深度加氢以及甲烷的产生,研制及设计具有高CO选择性的新型高效催化剂及其构效关系的分析仍十分重要.据报道,负载型贵金属基催化剂的使用有利于H2分子的活化,具有优异的催化活性,因而广泛应用于多种催化反应中.然而,贵金属催化剂实现工业应用的最大挑战是资源的限制及其高额的成本.近年来,由贵金属制备的负载型亚纳米团簇受...

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Published in催化学报 Vol. 39; no. 1; pp. 157 - 166
Main Author 张迪;罗靖洁;王佳杰;肖鑫;刘岳峰;齐伟;苏党生;储伟
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 四川大学化学工程学院,四川成都610065 2018
中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室,辽宁大连116023
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016%中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳,110016%四川大学化学工程学院,四川成都,610065%中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室,辽宁大连,116023%中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016
Subjects
高分散Ru基催化剂;程序升温表面反应;二氧化碳选择加氢;选择性调控;氢原子表面吸附
Temperature-programmed surface reaction
CO2selective hydrogenation
氢原子表面吸附
二氧化碳选择加氢
程序升温表面反应
Product selectivity
Highly dispersed Ru/FeOxcatalyst
选择性调控
高分散Ru基催化剂
Hydrogen adsorption
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Summary:由于化石能源的大量开采和利用造成CO2过度排放,从而导致严重的温室效应和气候环境问题,给人类生存带来极大威胁.CO2选择加氢反应可以将CO2催化加氢生成高附加值的CO产物.与其他的CO2转化反应策略相比,该过程中H2的消耗更少,成为可有效处理及转化CO2的手段之一.同时,应尽可能抑制CO2深度加氢以及甲烷的产生,研制及设计具有高CO选择性的新型高效催化剂及其构效关系的分析仍十分重要.据报道,负载型贵金属基催化剂的使用有利于H2分子的活化,具有优异的催化活性,因而广泛应用于多种催化反应中.然而,贵金属催化剂实现工业应用的最大挑战是资源的限制及其高额的成本.近年来,由贵金属制备的负载型亚纳米团簇受到广泛关注,主要包括如Au,Pt,Pd,Ru等贵金属,可有效应用于多相催化反应.人们还致力于提高负载型亚纳米团簇的分散度,促进催化剂活性位点的有效暴露,有利于大幅度提高催化剂的有效利用率.本文采用共沉淀法成功制备了超高分散的负载型Ru基催化剂,通过CO2选择加氢-程序升温表面反应(TPSR)和质谱联用技术测试了催化剂性能,发现CO2加氢反应生成CO选择性达100%.采用XRD,BET和TEM等方法对催化剂结构进行表征,并结合H2-TPR,H2-TPD和XPS等表征结果深入探讨了催化剂构效关系,并提出了针对该催化剂体系较为合理的反应模型.在CO2选择加氢反应的催化性能测试中,2.50%Ru/FeOx催化剂对目标产物CO选择性仅为41%;随着Ru负载量降低至0.25%和0.1%时,CO选择性明显提高至80%;当进一步降低Ru含量至0.01%时,CO选择性接近100%,且表现出优异的反应速率.在360oC时,0.01%Ru/FeOx催化剂的相对反应速率为7.71molCO2molRu?1min?1,是2.50%Ru/FeOx催化剂相对反应速率的154倍.H2-TPR结果表明,贵金属Ru可以明显促进载体FeOx的还原,并产生丰富的氧空位,进而促进CO2的吸附、活化.而且CO2选择加氢TPSR结果显示,目标产物CO的起始生成温度总是滞后于原料H2的初始活化温度,与H2-TPR结果及文献报道的CO2选择加氢反应机理一致.通过H2-TPD深入理解H2在催化剂表面的活化和氢溢流现象,以及Hads与不同催化剂之间的相互作用力,0.01%Ru/FeOx催化剂相对较高的H2脱附峰温度表明,该样品中Ru与Hads具有极强的相互作用力,相对抑制了Ha
Bibliography:Highly dispersed Ru/FeOx catalyst;Temperature‐programmed surface;reaction;CO2 selective hydrogenation;Product selectivity;Hydrogen adsorption
A series of Ru/FeOx catalysts were synthesized for the selective hydrogenation of CO2to CO.Detailed characterizations of the catalysts through X‐ray diffraction,X‐ray photoelectron spectroscopy,transmission electron microscopy,and temperature‐programmed techniques were performed to directly monitor the surface chemical properties and the catalytic performance to elucidate the reaction mechanism.Highly dispersed Ru species were observed on the surface of FeOx regardless of the initial Ru loading.Varying the Ru loading resulted in changes to the Ru coverage over the FeOx surface,which had a significant impact on the interaction between Ru and adsorbed H,and concomitantly,the H2activation capacity via the ability for H2dissociation.FeOx having0.01%of Ru loading exhibited100%selectivity toward CO resulting from the very strong interaction between Ru and adsorbed H,which limi
ISSN:0253-9837
1872-2067