化工學院綠色催化團隊何珍紅教授課題組在CO2及低碳烷烴催化轉化領域取得研究進展

化學與化工學院綠色催化研究團隊圍繞國家重大需求和學術前沿，致力于能源環(huán)境催化和含氟化合物合成兩大課題的基礎與應用研究，開展高效催化劑的設計合成和綠色催化過程的開發(fā)及其應用相關科學問題的研究工作。近期，團隊圍繞碳中和目標，在CO₂氧化丙烷脫氫、CO₂催化轉化領域取得重要研究進展。

CO₂氧化丙烷脫氫反應（CO₂-ODHP）不僅能生產大量丙烯，還能實現(xiàn)CO₂減排和資源化回收，具有非常重要的意義。然而，該反應在高溫條件下（>500 ℃）進行，催化劑積碳是導致其失活的重要因素，也是高溫催化反應中面臨的常見難題之一。圍繞該問題，課題組開發(fā)出具有微孔、中孔和大孔的片狀分子篩，并負載GaN制備出具有多級孔納米片結構特征的GaN/HNS-1催化劑，能夠高效催化CO₂-ODHP反應進行，同時能夠顯著降低失活速率。DFT理論計算和原位DRIFTS證實，該反應涉及直接脫氫（DHP）和逆水煤氣變換反應（RWGS），尤其是采用的多級孔片層分子篩催化劑能夠顯著增加氣體分子傳質擴散效率，促進積碳前驅體的快速轉移，從而顯著提高催化性能。相關研究工作以“Mass-transfer enhancement in the CO₂ oxidative dehydrogenation of propane over GaN supported on zeolite nanosheets with a short b-axis and hierarchical pores”為題發(fā)表在催化領域國際著名期刊ACS Catalysis（影響因子IF=11.7）上。我校碩士研究生朱占軍為第一作者，何珍紅教授和劉昭鐵教授為共同通訊作者，陜西科技大學為第一通訊單位，陜西師范大學為共同通訊單位。

圖1. GaN/片狀多級孔分子篩催化CO₂-ODHP性能和機理

此外，為了降低CO₂-ODHP反應溫度，該團隊開發(fā)出Pt-GaN/SrTiO₃和BiOI/AC催化劑，利用光和熱的協(xié)同優(yōu)勢，在相對較低的溫度下（300 °C）實現(xiàn)該反應，首次報道了Pt-GaN/SrTiO₃光熱催化CO₂氧化丙烷脫氫反應，揭示出GaN和Pt分別為C-H和C=O的活化中心；同時表明CO₂在光熱和熱的條件下有不同的轉化路徑；揭示了反應機理是丙烷直接脫氫耦合逆水煤氣反應。相關工作分別以“Photothermal catalytic CO₂ oxidative dehydrogenation of propane over a dual functional Pt-GaN/SrTiO₃ catalyst”和“Activated carbon-boosted BiOI in CO₂ adsorption and electron transfer for photothermally catalyzed CO₂ oxidative dehydrogenation of propane”為題在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.3）和Chemical Engineering Journal（IF=13.4）期刊上發(fā)表。論文均以陜西科技大學為第一通訊單位，博士研究生王森望和碩士研究生苗潤青分別為論文的第一作者，何珍紅教授和劉昭鐵教授為通訊作者。

圖2 光熱催化CO₂氧化丙烷脫氫制備丙烯和CO

圍繞CO₂資源利用，采用熱解法制備了Fe_xC@CNT/N-MXene催化劑，用于催化二氧化碳和水共電解生成CO和H₂。通過調節(jié)外加電位，產生具有不同H₂/CO摩爾比的合成氣，其中在-1.1 V (vs. RHE)獲得等量的CO和H₂，可直接用于氫甲?；虵T合成等反應。表征結果表明，在制備過程中形成了Fe_xC、碳納米管和摻雜N的MXene。本研究為CO₂ER和HER共電解合成氣提供了一種高效的催化劑，該策略對設計其他偶聯(lián)反應的雙功能催化劑提供思路。相關研究工作以“Efficient synthesis of syngas from CO₂ electrochemical reduction over a dual functional Fe_xC@CNT/N-MXene catalyst”為題，發(fā)表在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.3）。

此外，開發(fā)了一種構建Cu₂₊₁O電催化劑的策略，通過Zn(OH)₂穩(wěn)定Cu₂₊₁O,在泡沫銅上形成片狀結構的Zn(OH)₂/Cu₂₊₁O催化劑，實現(xiàn)電催化CO₂還原為C₂H₆在低過電位下（-0.3?-0.6V (vs. RHE)）產生較高的法拉第效率（在-0.3V下，產生C₂H₆的法拉第效率高達67.8%），且該催化劑可以連續(xù)應用至少三天，具有可接受的電催化性能。相關研究工作以“Highly selective catalytic reduction of CO₂ to ethane over a petal-like Zn(OH)₂/Cu₂₊₁O/Cu foam catalyst at low overpotentials”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（IF=10.8）期刊上，該研究對電催化CO₂還原產生C₂H₆提供了一種新的策略。我校博士研究生郭攀攀、曹會會為第一作者，何珍紅教授和劉昭鐵教授為共同通訊作者，陜西科技大學為第一通訊單位，陜西師范大學為共同通訊單位。

圖3. 電催化CO₂還原為C₂H₆的性能和機理

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acscatal.4c02599

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124246

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148293

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123786

https://doi.org/10.1039/D4TA00502C

（核稿：黃文歡 編輯：趙誠）