近日，廣州能源所聯(lián)合荷蘭烏特勒支大學(xué)在美國化學(xué)會旗艦期刊JACS Au上發(fā)表題為Silicalite-1 Layer Secures the Bifunctional Nature of a CO2 Hydrogenation Catalyst的研究成果，并選為封面文章。
通過非均相熱催化，利用可再生綠氫對CO2進行轉(zhuǎn)化，有望為溫室氣體去路提供新路徑，同時可以為非化石來源的化學(xué)品和燃料合成提供全新方案。鑒于各行各業(yè)，特別是航空業(yè)，對碳氫燃料的需求與日俱增，通過CO2加氫直接實現(xiàn)碳碳偶聯(lián)具有重大意義。已有的研究提出，利用雙功能催化材料如In2O3/H-ZSM-5可實現(xiàn)高效碳碳偶聯(lián)，即先在金屬氧化物In2O3上將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，所得的甲醇再轉(zhuǎn)移至酸性分子篩上進行偶聯(lián)轉(zhuǎn)化為烴。該過程打破了費托合成過程中的Anderson–Schulz–Flory（ASF）限制，在調(diào)控?zé)N類產(chǎn)物選擇性方面展現(xiàn)出較大潛力。
在該雙功能催化過程中，縮短雙功能組分距離可促進反應(yīng)中間體轉(zhuǎn)移，從而顯著提高碳碳偶聯(lián)性能。然而粉末混合的銦基材料容易喪失碳碳偶聯(lián)活性，這可能是由于在反應(yīng)過程銦物種遷移至沸石分子篩內(nèi)，中和毒化了沸石B酸位點；同時銦物種的遷移導(dǎo)致氧化銦表面氧空位活性位點發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致失活；此外，長時間甲醇轉(zhuǎn)化形成的沸石積碳是該雙功能催化體系的另一個潛在失活因素。
為此，本文報道了一種簡單的方法來克服上述3個難題，即在H-ZSM-5沸石晶體外原位生長一層硅沸石Silicalite-1（S-1）殼層，從而（1）抑制了銦的遷移，保持了H-ZSM-5的酸性；（2）阻止In2O3表面過度還原；以及（3）通過抑制甲醇-烴轉(zhuǎn)化中的芳烴循環(huán)來提高催化劑壽命。因此，本方法可以恢復(fù)在納米尺度（粉末混合）下C2+烴的合成活性。此外，在微米尺度（顆粒混合）下，與無S-1殼層的催化劑相比，含有S-1殼層催化劑的性能更高。該研究發(fā)展了一種有效的屏蔽策略，為提升CO2加氫雙功能材料的催化性能及穩(wěn)定性提供了創(chuàng)新方案。
該研究由廣州能源研究所聯(lián)合荷蘭烏特勒支大學(xué)Bert Weckhuysen教授課題組完成，論文第一作者為廣州能源所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室特別研究助理邢世友。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacsau.2c00621
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