Cu/TiO2催化剂实现CO2和H2O光热转化制烯烃研究取得进展

科研信息网 刘洋 2019-11-07 16:09:28
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  人工光合作用能够将CO2和H2O转化为碳氢化合物,是实现碳循环的新途径。如何将CO2转化为低碳烯烃等高值化学品是目前研究的热点和难点。中国科学院山西煤炭化学研究所覃勇团队利用原子层沉积技术制备出一种TiO2管限域的Cu单原子层团簇催化剂,实现了光热催化CO2和H2O高选择性制低碳烯烃。成果以Photocatalytic Conversion of CO2 into Light Olefins over TiO2 Nanotube confined Cu Clusters with high ratio of Cu为题在Appl. Catal. B: Environ.发表,第一作者为博士葛会宾,通讯作者为研究员覃勇及副研究员张斌。

  该工作发展出一种以三甲基铝和二(六氟乙酰丙酮)铜为前驱体的新型原子层沉积铜方法,并利用该方法结合模板及还原和再氧化的策略,制备出氧化钛纳米管限域Cu单原子层团簇的催化剂。反应温度和光强的提高都能提高Cu(100)/TiO2-RO催化剂光热催化CO2和H2O的反应活性,150 ℃时低碳烯烃的选择性可达60%。过高的光强和温度不利于低碳烯烃的生成,有效的光热协同催化是实现高选择性制烯烃的关键。系统控制实验和表征表明,零价的铜物种有利于甲烷的生成,低碳烯烃选择性与Cu团簇中Cu+/(Cu0+Cu+)呈正相关性。TiO2纳米管上高分散的Cu+物种能够控制表面碳物种的加氢,促进碳碳偶联,提高低碳烯烃的选择性。

  该工作得到国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、中科院青年创新促进会、中科院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题、山西省百人计划、上海光源的资助与支持,可为进一步设计高性能人工光合作用催化剂提供新思路。

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图1. Cu/TiO2光催化剂制备示意图

  图2. (a) 温度对Cu(100)/TiO2-RO催化性能的影响;(b) 铜ALD沉积循环数的影响;(c) Cu(100)/TiO2-RO催化不同反应原料的转化,C2、C2=、C3=和 C4=分别为乙烷、乙烯、丙烯和丁烯;(d) Cu+物种比例与烯烃选择性的关系。