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二氧化碳转化乙醇催化剂研究进展

发布时间:2021-09-15 16:00:18

科学家的国际合作已经朝着实现近乎“绿色”的零净碳技术迈出了重要的一步,该技术将二氧化碳(一种主要的温室气体)和氢有效地转化为乙醇,乙醇可用作燃料并具有许多其他化学应用。该研究报告了成功引导这一具有挑战性的反应的“路线图”,并通过理论建模和实验表征提供了完整反应序列的图片。

在美国能源部(DOE)布鲁克海文*家实验室的领导下,该小组确定,将铯、铜和氧化锌结合成紧密接触的结构,可以催化将二氧化碳(CO2)转化为乙醇(C2H6O)的反应途径。他们还发现了为什么这个由三部分组成的界面是成功的。这项研究发表在7月23日《美国化学学会杂志》在线版的一篇论文中,并在该刊物的封面上进行了介绍。该研究将推动进一步研究如何开发一种实用的工业催化剂,用于选择性地将二氧化碳转化为乙醇。这些过程将产生能够回收燃烧排放的二氧化碳并将其转化为可用化学品或燃料的技术。

研究中检测的三种组分都不能单独催化CO2转化为乙醇,也不能成对催化。但是,当这三种物质以某种构型聚集在一起时,它们相遇的区域为碳-碳键的形成开辟了一条新的途径,使二氧化碳转化为乙醇成为可能。关键是铯、铜和氧化锌位置之间的良好相互作用。

“在二氧化碳转化为甲醇方面已经做了很多工作,但乙醇比甲醇有很多优势。作为燃料,乙醇更安全、更有效。但由于反应的复杂性和控制C-C键形成的难度,其合成非常具有挑战性,”该研究的相应研究员说,布鲁克黑文化学家刘平。“我们现在知道进行转化需要什么样的构型,以及每个组分在反应过程中所起的作用。这是一个重大突破。”

界面是通过在氧化锌表面沉积微量铜和铯形成的。为了研究这三种材料相遇的区域,研究小组转向了一种称为X射线光电子能谱的X射线技术,该技术表明,当添加铯时,CO2加氢反应机理可能发生变化。使用两种广泛使用的理论方法揭示了更多细节:“密度泛函理论”计算(用于研究材料结构的计算建模方法)和“动力学蒙特卡罗模拟”(用于模拟反应动力学的计算机模拟)。在这项工作中,该小组利用了布鲁克海文功能纳米材料中心和劳伦斯伯克利*家实验室*家能源研究科学计算中心的计算资源,这两个中心都是能源部科学用户设施办公室。

他们从建模中学到的一点是铯是主动系统的重要组成部分。没有它,乙醇就无法生产。此外,与铜和氧化锌的良好配合也很重要。但还有很多东西需要学习。

参与这项工作的布鲁克海文化学家何塞·罗德里格斯说:“在实现将二氧化碳转化为可用乙醇的工业过程之前,有许多挑战需要克服。”“例如,需要有一个明确的方法来提高乙醇生产的选择性。一个关键问题是了解催化剂性质和反应机理之间的联系;这项研究是这项工作的第一线。我们的目标是从根本上了解这一过程。”

这一研究领域的另一个目标是找到一种理想的催化剂,将二氧化碳转化为“高级”醇,这种醇具有两个或两个以上的碳原子(乙醇有两个),因此对于工业应用和商品生产更有用、更可取。这项工作中研究的催化剂是有利的,因为铜和氧化锌基催化剂已广泛应用于化学工业,并用于催化过程,如CO2合成甲醇。

研究人员计划在布鲁克海文的*家同步加速器光源II进行后续研究,这也是能源部科学用户设施办公室,该办公室提供了一套独特的工具和技术,用于在工作条件下表征催化剂。在那里,他们将更详细地研究Cu-Cs-ZnO系统和具有不同组成的催化剂。

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