Como transformar o "gás de efeito estufa" CO2 em metanol de alto valor tem sido um tema quente na comunidade científica durante a fase crítica do objetivo "duplo carbono". Recentemente, a equipe de pesquisa da Universidade de Zhejiang em conjunto com o Laboratório de Qingshan da Mongólia Interior trouxe boas notícias - o catalisador Cu-ZnO / Nb₂C @ Nb₂O5 desenvolvido, na reação de metanol de hidrogênio de CO2 com desempenho impressionante, não só a produção de metanol atinge 247 mg / (gcat · h), mas a seletividade atinge 74,3%, operação contínua 60 horas de desempenho quase sem degradação! Este resultado oferece soluções totalmente novas para a reciclagem de carbono, e as ideias de pesquisa relevantes merecem atenção.

Quando se fala de metanol hidrogenado com CO2, primeiro pensamos nos catalisadores tradicionais Cu / ZnO / Al₂O3. Embora este tipo de catalisador já tenha sido aplicado inicialmente, há dois problemas fatais: em primeiro lugar, as partículas de Cu são fáceis de reunir a altas temperaturas e o ZnO é fácil de sinterizar, o que resulta em uma curta vida útil; Em segundo lugar, a seletividade do metanol sempre não aumenta e é difícil atender às altas exigências da indústria.

Pesquisadores da equipe: "O Al₂O3 em catalisadores tradicionais, como auxiliar, tem uma capacidade limitada de ancoragem para Cu e ZnO, e a interação metal-veículo (SMSI) é propensa a envolver excessivamente os locais ativos e, em vez disso, afeta a eficiência catalítica." Para quebrar essa limitação, a equipe colocou o olhar no novo material que sofreu incêndios nos últimos anos, o MXene.

O MXene é uma classe de carbonetos / nitretos de metais de transição bidimensionais, a fórmula comum é M <unk>₊<unk>X <unk>T<unk>, onde o "local M" (local de metais de transição insaturados) tem a alta difusão de materiais de carbono e redutividade de óxidos metálicos, tanto para regular a estrutura do metal de carga como para melhorar a adsorção de gás de pequenas moléculas. Desta vez, a equipe escolheu o Nb₂C MXene como o “esqueleto central” do catalisador, graças à sua estrutura unica entre camadas e ao seu local Nb insaturado.

O principal avanço da pesquisa é que a equipe aproveitou inteligentemente a "interação eletrônica-metal-veículo (EMSI)" entre Nb₂C e Cu. Os cálculos da Espectroscopia de Energia de Raios X (XPS) e da Teoria da Função Pan-Densidade (DFT) confirmaram que os locais Nb insaturados no Nb₂C transferem eletrões para as espécies de Cu, transformando a superfície de Cu em um "estado rico em eletrões" - exatamente o "código-chave" para a ativação do CO2!

"A superfície Cu rica em eletrões pode 'pegar' moléculas de CO2 com mais facilidade, enquanto os locais Nb também facilitam a adsorção e a dissociação de H2." Experimentos com redução por aquecimento de processo de hidrogênio (H₂-TPR) e desadesão por aquecimento de processo (TPD) descobriram que Nb₂C@Nb₂O5 (formação de oxidação parcial de Nb₂C) não só mantém uma forte capacidade de adsorção de H2 e CO2, mas também pode efetivamente inibir a desadesão de CO através da forte adsorção de CO * e conduzir a reação na direção da geração de metanol.

Além disso, a equipe encontrou a melhor proporção - 4:2:10 - regulando a proporção de Cu: Zn: Nb₂C. Neste momento, o catalisador formou uma estrutura estável de interface Cu-Zn-Nb, garantindo a dispersão das nanopartículas de Cu e reforçando o papel de EMSI, alcançando um equilíbrio entre "atividade" e "seletividade".

Para descobrir como o CO2 passo a passo se transforma em metanol, a equipeTecnologia EspectraliCAN 5000Espectrómetro Infravermelho de Transformação de FourierFoi realizado o experimento DRIFTS de alta pressão. A “trajetória dinâmica” dos intermediários-chave foi capturada com sucesso em reações reais de 3 MPa, 120-240°C:

• Os sinais HOCO* (1652 cm-¹, 1540 cm-¹) e CO* (2077 cm-¹, 2057 cm-¹) foram detectados a 120 °C, indicando que o CO2 foi convertido primeiro em HOCO* e depois dissolvido em CO*;

• A 200 ° C, o sinal de H3CO * (981 cm-1, 1051 cm-1) foi aumentado, demonstrando que o CO * começou a se transformar em precursor de metanol;

•240℃ 时，H₃COSinal sem detecção de HCOO(Formato) pico característico, confirmando diretamente que a reação segue o caminho "RWGS (conversão inversa de gás de água) + CO com hidrogênio", em vez do caminho formalato convencional.

“Esta descoberta revela o conhecimento anterior das vias de reação de alguns catalisadores baseados em Cu, fornecendo uma direção clara para o projeto de catalisadores posteriores.” ”

Catalisador do mesmo tipo de trituração de desempenho, aplicações industriais à mão

Em condições de reação de 240 ° C, 3MPa, este catalisador Cu-ZnO/Nb₂C@Nb₂O5 apresenta-se como "":

• Rendimento de metanol 247 mg/(gcat・h), muito superior à maioria dos catalisadores baseados em Cu relatados;

• seletividade do metanol 74,3%, inibindo eficazmente a geração de subprodutos CO;

• Operação contínua de 60 h, taxa de conversão de CO2, seletividade de metanol e rendimento quase sem flutuação, estabilidade estrutural completa.

Em comparação com os catalisadores tradicionais de Cu/ZnO/Al₂O3, este novo catalisador não só resolve os pontos de dor de "curta vida útil e baixa seletividade", mas também deixa um enorme espaço para otimização de desempenho posterior, graças à regulabilidade dos materiais MXene. “No próximo passo, planejamos reforçar ainda mais a interação eletrônica do local Nb com o Cu, explorando as propriedades de reação a pressões mais altas e temperaturas mais altas para impulsioná-lo para aplicações industriais.” ”

(Este artigo se refere aos resultados da pesquisa da equipe da Universidade de Zhejiang, os dados básicos do texto original e a análise mecânica foram rigorosamente verificados experimentalmente. Para obter mais informações, você pode consultar o texto original ou entrar em contato com a equipe para obter informações de suporte.)

O espectrómetro de transformação de Fourier mencionado no estudo é o espectrómetro de transformação de Fourier de nível de pesquisa iCAN5000 produzido pela tecnologia de espectroscopia de energia de Tianjin:

• Interverômetro: a tecnologia de interferômetro magnético flutuante com ajuste totalmente automático de controle a laser tridimensional e controle direto dinâmico de varredura de alta velocidade garante alta estabilidade e precisão de detecção a longo prazo, sem desvios espectrais e distorções. Boa confiabilidade, estabilidade e desempenho anti-interferência;

• Sistema óptico: todo o uso de espelho de ouro, uso de caixa óptica de mesa seca e fechada de liga completa, condução óptica e atração equipada com placa de vedação de transmissão infravermelha com revestimento anti-nebulização, com alta estabilidade e resistência à umidade seca. A mesa óptica e o armazém de amostras são projetados com divisores independentes, e o armazém de amostras ultra-grande pode expandir uma variedade de aplicações de análise e detecção de infravermelhos.

• Detector: DLATGS de alta sensibilidade opcional, MCT de refrigeração eletrônica, MCT de refrigeração de nitrogênio líquido, etc.

• Laser de estado sólido: desempenho estável e vida útil de mais de 10 anos

• Fonte de luz: importação de alta performance, fonte de luz de longa vida, a fonte de luz tem função de hibernação automática.