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光热协同驱动SrTiOx负载CuCo催化CO2-CH4和H2O共转化制备C2含氧化合物

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催化转化CO2为乙醇、乙醛等高值C2含氧化合物是一个具有科学意义和经济价值的化学过程.然而,由于碳氧键活化难、多电子(≥10)转移过程复杂以及C-C偶联动力学缓慢等问题,导致该过程的反应效率低.CO2因热力学稳定、动力学惰性,其加氢活化通常是强吸热过程(如CO2活化成CO的△H298K=42.1 kJ mol-1),因此需要在一定温度下才能获得满意的CO2转化率.与此同时,CH4作为碳化学价态最低的化合物,其氧化过程与CO2的还原过程可以耦合,共同转化为高值化学品,同样受到了广泛关注.但CH4的活化同样需要高温等苛刻条件,因此,在温和条件下共转化CO2和CH4,选择性构建高值C2含氧化合物,是一个重要且具有挑战性的研究方向.本文提出利用光外场和水活化策略,即利用光解水产生的活性氢和活性氧物种,在温和条件下实现CO2和CH4的高效、高选择性活化及共转化.光照下,在钛酸锶(SrTiOx)负载的具有丰富Cu-Co界面的催化剂上,光解水产生的活性氢和活性氧物种,分别活化CO2的碳氧键和CH4的碳氢键,在Cu和Co位点上分别形成*CHxO和*CH3物种,进而通过C-C偶联高效生成C2含氧化合物.在200 ℃和光照条件下,C2含氧化合物(CH3CHO和CH3CH2OH)的生成速率高达2.05 mmol g-1 h-1,同时产物选择性>86%.同位素标记、红外光谱示踪的原位反应和催化实验结果表明,紫外光激发下,SrTiOx上的金属位点促进了光催化水裂解,生成活性氢和活性氧物种(该过程为整个反应的决速步骤).活性氢物种使吸附在SrTiOx上的CO2活化并转化为CO;随后,在CuⅠ/Cu0对上,CO加氢生成*CHxO中间体.另一方面,在Co位点上,CH4与活性氧物种发生反应,被活化为*CH3中间体.最后,*CHxO与*CH3两种中间体在CuCo界面处发生C-C偶联反应,进而形成C2含氧化合物.与传统的热催化下的CO2和CH4共转化过程相比,光热协同策略使该反应温度降低了超过600 ℃,并且反应活化能降低了约12 kJ mol-1,表明光热协同策略不仅可以大幅降低反应温度,还能极大提升反应动力学,为强吸热反应过程提供了一条提效降耗的反应途径.综上所述,本工作通过构建结构精准可控的SrTiOx负载的CuCo邻近界面结构,同时利用光解水产生的活性氢/氧物种促进CO2和CH4活化,实现了高效定向共转化.本文提出的"光热协同"策略为高效活化CO2制高值化学品提供了新的研究思路,同时显著降低了能耗,对解决强吸热催化反应高能耗问题提供了参考.
Photo-thermal cooperation for the conversion of C02 and CH4 with H2O to C2 oxygenates over SrTiOx supported CuCo
Photosynthesis is a potential strategy to enable endergonic process that usually needs high-temperature in thermochemistry to supply the energy for inert-bond activation and/or strong endothermic reaction.The conversion of CO2 into value-added C2-oxygenates is a promising process to realize artificial photosynthesis,but suffers from relatively lower efficiency due to complex mul-ti-electron(≥ 10)transfer processes and sluggish kinetics of C-C coupling.This work proposes an all-new H2O-promoted strategy for efficient production of C2 oxygenates from the concurrent acti-vation and subsequent co-conversion of CO2 with CH4 under photo-thermal cooperation,in which photocatalytic H2O-splitting derived active hydrogen species for CO2 activation,and concomitant active oxygen species for CH4 activation.A formation rate of as high as 2.05 mmol g-1 h-1 for C2-oxygenates(CH3CHO and CH3CH2OH)in a selectivity of>86%has been afforded over SrTiOx supported CuCo under 200 ℃ and ultraviolet-visible illumination.It has been revealed that SrTiOx drives photocatalytic H 2O-splitting under the excitation primary from ultraviolet light,paired CuⅠ/Cu0 sites promote the formation of*CHxO intermediate from CO2,Co sites conduct CH4-to-*CH3,and C-C coupling of*CHxO and*CH3 on adjacent Cu-Co facilitates the generation of C2-oxygenates.

Photo-thermal cooperationCo-conversion of CO2 and CH4SrTiOx supported Cu-CoWater-splittingC2-oxygenates

朱彦儒、张志军、张健、蒋双江、安哲、宋红艳、舒心、习卫、郑黎荣、何静

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北京化工大学化工资源工程国家重点实验室,北京 100029

衢州资源化工创新研究院,浙江衢州 324000

天津理工大学天津市先进功能多孔材料重点实验室/电子显微镜研究中心,天津 300384

中国科学院高能物理研究所,北京 100049

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光热协同 CO2和CH4共转化 SrTiOx负载CuCo 水裂解 C2含氧化合物

国家重点研发项目国家自然科学基金

2021YFB380160222288102

2024

催化学报
中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所

催化学报

CSTPCD
影响因子:1.269
ISSN:0253-9837
年,卷(期):2024.61(6)
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