论文标题：Siliceous mesocellular foam supported Cu catalysts for promoting non-thermal plasma activated CO2 hydrogenation toward methanol synthesis

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Yi Chen, Shaowei Chen, Yan Shao, Cui Quan, Ningbo Gao, Xiaolei Fan, Huanhao Chen

发表时间：15 Jun 2024

DOI： 10.1007/s11705-024-2419-z

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CO₂加氢转化为甲醇是碳资源化利用的重要途径，传统热催化需要在高温高压（200–300 ℃、3–10 MPa）下进行，能耗高而且条件苛刻。非热等离子体（NTP）催化技术可在常温常压下激活CO₂分子，结合绿色电力与氢能，为温和条件下的CO₂转化提供了新思路。然而，NTP催化体系中催化剂的理性设计仍是提升效率的关键挑战，尤其是载体结构与活性位点的协同作用亟待优化。

南京工业大学化工学院陈焕浩教授和英国曼彻斯特大学工程学院范晓雷博士等在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表了题为“Siliceous mesocellular foam supported Cu catalysts for promoting non-thermal plasma activated CO₂ hydrogenation toward methanol synthesis”（硅基介孔泡沫负载型铜催化剂用于促进非热等离子体活化CO₂加氢制甲醇）的研究论文，文章聚焦于硅基介孔泡沫（MCF）负载铜基催化剂的设计，通过调控载体孔结构与金属活性位点，提升了NTP催化CO₂加氢制甲醇的效率与选择性。

研究首先采用水热合成法制备了MCF载体，其比表面积达784 m²·g^-1，平均孔径约8.5 nm；再通过氨蒸发法负载Cu单金属及CuZn双金属活性组分，制得Cu_x/MCF与Cu₁Zn₁/MCF催化剂。利用多种手段表征催化剂结构，并在介质阻挡放电（DBD）等离子体反应器中评估其催化性能，反应条件为常温常压、10.1 kV电压、7.7 kHz频率，原料气组成为20% CO₂/60% H₂/Ar。

结果显示，MCF载体的大孔径和高比表面积促进了等离子体微放电与反应物种的扩散，其空白载体的甲醇时空产率（STY）达~130 μmol·gcat^-1·h^-1，显著高于S-1、SiO₂、SBA-15等载体。负载Cu后，Cu₁/MCF的甲醇STY提升至~225 μmol·gcat^-1·h^-1；进一步引入Zn形成Cu₁Zn₁/MCF双金属催化剂，Cu粒径从4.3 nm减小至3.6 nm，且通过CO₂-TPD发现其在120 ℃附近出现了新增的碱性位点，增强了CO₂/CO中间体的吸附与稳定，最终甲醇STY达~275 μmol·gcat^-1·h^-1，能耗降至26.4 kJ·mmol_CH3OH^-1。稳定性测试表明，Cu1Zn1/MCF在40 h连续反应中保持稳定的活性，X-射线光电子能谱（XPS）结果显示反应后Cu、Zn物种价态无显著变化。

图1 (a-c) Cu₁/MCF和(d-f) Cu₁Zn₁/MCF的高角环形暗场像、粒径分布及高分辨率透射电镜显微图。

图2 Cu₁/MCF和Cu₁Zn₁/MCF的(a) 氢气程序升温还原、(b) 二氧化碳程序升温脱附及(c) 一氧化碳程序升温脱附谱图。

图3 纯非热等离子体体系、含惰性填充材料的非热等离子体体系以及含Cux/MCF和Cu₁Zn₁/MCF催化剂的非热等离子体催化体系的非热等离子体辅助CO₂加氢性能。

图4 (a) Cu₁/MCF和Cu₁Zn₁/MCF催化剂上非热等离子体催化CO₂加氢体系的稳定性测试，(b) MCF、Cu₁/MCF和Cu₁Zn₁/MCF上甲醇生成的能耗。

本研究表明，MCF载体的介孔结构可通过增强等离子体放电与产物扩散提升NTP催化的基础性能，而CuZn双金属位点通过优化粒径分散与表面碱性，进一步强化了CO₂/CO中间体的吸附与转化，实现了甲醇的高效合成。这一成果为NTP催化体系中“载体-活性位点”的协同设计提供了新思路。

引用信息

Yi Chen, Shaowei Chen, Yan Shao, Cui Quan, Ningbo Gao, Xiaolei Fan, Huanhao Chen. Siliceous mesocellular foam supported Cu catalysts for promoting non-thermal plasma activated CO2 hydrogenation toward methanol synthesis. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(7): 77 https://doi.org/10.1007/s11705-024-2419-z

本文来自

Porous materials for catalysis and separation

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