Trong giai đoạn quan trọng của việc hạ cánh mục tiêu "carbon kép", làm thế nào để biến "khí nhà kính" CO ₂ thành methanol có giá trị cao, luôn là một chủ đề nóng trong cộng đồng nghiên cứu. Gần đây, nhóm nghiên cứu của Đại học Chiết Giang kết hợp với Phòng thí nghiệm Đại Thanh Sơn Nội Mông đã nhận được tin tốt - chất xúc tác Cu-ZnO/Nb₂C @ Nb₂O₅ được phát triển, hoạt động tuyệt vời trong phản ứng methanol CO₂, không chỉ với năng suất methanol lên đến 247mg/(gcat · h), chọn lọc hơn 74,3%, hoạt động liên tục 60h gần như không suy giảm! Thành quả này đã cung cấp giải pháp mới cho việc sử dụng tuần hoàn tài nguyên cacbon, ý tưởng nghiên cứu liên quan đáng được quan tâm trọng điểm.

Khi đề cập đến CO ₂ hydrogenated methanol, người ta sẽ nghĩ đến chất xúc tác Cu/ZnO/Al ₂ O₃ truyền thống. Mặc dù các chất xúc tác như vậy đã được áp dụng sơ bộ từ lâu, nhưng luôn có hai vấn đề chết người: Thứ nhất, các hạt Cu dễ kết tụ ở nhiệt độ cao và ZnO dễ thiêu kết, dẫn đến tuổi thọ ngắn; Hai là, lựa chọn A - rập Xê - út luôn không lên được, khó đáp ứng yêu cầu cao của ngành công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu cho biết: "Al₂O₃ trong chất xúc tác truyền thống có khả năng neo đậu hạn chế đối với Cu và ZnO, và tương tác kim loại-vectơ (SMSI) dễ dàng bao bọc quá mức các vị trí hoạt động, thay vào đó ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác. Để vượt qua giới hạn này, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào MXene, một loại vật liệu mới cho các vụ cháy lớn trong những năm gần đây.

MXene là một lớp cacbua/nitride kim loại chuyển tiếp hai chiều với công thức tổng quát Mₙ₊XₙT ₓ, trong đó "vị trí M" (vị trí kim loại chuyển tiếp không bão hòa) kết hợp khả năng khuếch tán cao của vật liệu carbon và khả năng giảm các oxit kim loại, điều chỉnh cả cấu trúc của kim loại chịu tải và tăng cường sự hấp phụ của khí phân tử nhỏ. Nb₂C MXene được nhóm nghiên cứu lựa chọn lần này, với cấu trúc liên lớp độc đáo và vị trí Nb không bão hòa, đã trở thành "bộ xương cốt lõi" của chất xúc tác.

Bước đột phá quan trọng trong nghiên cứu nằm ở việc nhóm nghiên cứu sử dụng khéo léo "tương tác kim loại-tàu sân bay điện tử (EMSI)" giữa Nb₂C và Cu. Các tính toán phổ năng lượng quang điện tử tia X (XPS) và lý thuyết hàm mật độ (DFT) đã xác nhận rằng các vị trí Nb không bão hòa trong Nb₂C chuyển các electron đến các loài Cu, khiến bề mặt Cu trở thành "trạng thái giàu electron" - chính xác là "mật mã quan trọng" cho kích hoạt CO ₂!

"Bề mặt Cu giàu electron cho phép dễ dàng'bắt'các phân tử CO ₂ trong khi vị trí Nb thúc đẩy hấp phụ và phân ly H₂. Thông qua các thí nghiệm làm nóng quá trình hydro (H₂-TPR) và khử nhiệt quá trình (TPD) đã phát hiện ra rằng Nb₂ C @ Nb₂ O₅ (hình thành oxy hóa một phần Nb₂ C) không chỉ giữ lại khả năng hấp phụ mạnh đối với H₂ và CO ₂ mà còn ức chế hiệu quả quá trình khử CO thông qua sự hấp phụ mạnh đối với CO *, hướng phản ứng theo hướng tạo ra methanol.

Đáng chú ý hơn, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy tỷ lệ phù hợp tốt nhất - 4: 2: 10 - bằng cách điều chỉnh tỷ lệ Cu: Zn: Nb₂C. Tại thời điểm này, chất xúc tác tạo thành một cấu trúc giao diện Cu-Zn-Nb ổn định, đảm bảo cả tính phân tán của các hạt nano Cu và tăng cường vai trò của EMSI, đạt được sự cân bằng giữa "hoạt động" và "chọn lọc".

Để tìm hiểu chính xác làm thế nào CO ₂ trở thành methanol, nhóm nghiên cứu đã sử dụngCông nghệ phổ năng lượngSản phẩm iCAN 5000Loại Nghiên cứu Lớp Fourier Biến đổi Phổ hồng ngoạiTriển khai thí nghiệm DRIFT áp suất cao tại chỗ. Trong điều kiện phản ứng thực tế của 3MPa, 120-240 ℃, "quỹ đạo năng động" của các chất trung gian quan trọng đã được chụp thành công:

• Ở 120 ° C, tín hiệu HOCO * (1652cm⁻, 1540cm⁻) và CO * (2077cm⁻, 2057cm⁻) được phát hiện cho thấy CO₂ được chuyển đổi thành HOCO *trướckhi phân tách thành CO *;

• Tín hiệu H₃CO * (981cm⁻, 1051cm⁻) được tăng cường ở 200 ℃, chứng minh rằng CO * bắt đầu chuyển đổi thành tiền chất methanol;

•240℃ 时，H₃COTín hiệu, trong khi HCOO không được phát hiệnĐỉnh đặc trưng (format), xác nhận trực tiếp rằng phản ứng đi theo con đường "RWGS (biến đổi khí nước)+CO hydro hóa" thay vì đường dẫn format truyền thống.

"Phát hiện này cho thấy nhận thức trước đây về con đường phản ứng của các chất xúc tác dựa trên Cu một phần, cung cấp định hướng rõ ràng cho các thiết kế chất xúc tác tiếp theo. ”

Hiệu suất nghiền các chất xúc tác tương tự, ứng dụng công nghiệp trong tầm tay

Chất xúc tác Cu-ZnO/Nb₂C@Nb₂O₅ này hoạt động tốt trong điều kiện phản ứng 240 ℃, 3MPa:

• Sản lượng methanol 247mg/(gcat · h), vượt xa hầu hết các chất xúc tác dựa trên Cu đã được báo cáo;

• Methanol chọn lọc 74,3%, ức chế hiệu quả sản xuất CO của các sản phẩm phụ;

• Hoạt động liên tục trong 60h, tỷ lệ chuyển đổi CO ₂, chọn lọc methanol và năng suất hầu như không dao động, kéo đầy ổn định cấu trúc.

So sánh với các chất xúc tác Cu/ZnO/Al₂O₃ truyền thống, chất xúc tác mới này không chỉ giải quyết các điểm đau "tuổi thọ ngắn và chọn lọc thấp", mà còn để lại nhiều chỗ cho việc tối ưu hóa hiệu suất tiếp theo với sự trợ giúp của khả năng điều chỉnh của vật liệu MXene. "Tiếp theo, chúng tôi có kế hoạch tăng cường hơn nữa tương tác điện tử của vị trí Nb với Cu, khám phá hiệu suất phản ứng ở áp suất cao hơn, nhiệt độ cao hơn, thúc đẩy nó tiến tới các ứng dụng công nghiệp hóa. ”

(Bài viết này tham khảo thành quả nghiên cứu liên quan đến nhóm Đại học Chiết Giang, số liệu cốt lõi và phân tích cơ lý của nguyên văn đã thông qua nghiệm chứng thí nghiệm nghiêm ngặt, nếu cần tìm hiểu sâu hơn có thể tra cứu nguyên văn hoặc liên hệ nhóm để nhận được thông tin hỗ trợ).

Nghiên cứu đề cập đến quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier là phổ hồng ngoại biến đổi Fourier cấp nghiên cứu iCAN5000 được sản xuất bởi công nghệ phổ năng lượng Thiên Tân:

• Giao thoa kế: Với điều khiển laser ba chiều điều chỉnh hoàn toàn tự động và chức năng điều khiển chuẩn trực động quét tốc độ cao, công nghệ giao thoa kế maglev đảm bảo độ ổn định và độ chính xác cao của phát hiện lâu dài, không có lệch phổ và biến dạng. Độ tin cậy tốt, ổn định và hiệu suất chống nhiễu;

• Hệ thống quang học: tất cả đều sử dụng gương vàng, sử dụng hộp bảng quang hợp kim kín và kín, dẫn đường quang và dẫn dân được trang bị tấm cửa sổ kín truyền hồng ngoại với lớp mạ chống sương mù, có tính ổn định cao và chống ẩm khô. Bảng quang học và kho mẫu được thiết kế riêng biệt, và kho mẫu siêu lớn có thể mở rộng các ứng dụng phát hiện phân tích hồng ngoại khác nhau.

• Máy dò: tùy chọn độ nhạy cao DLATGS, MCT làm lạnh điện tử, MCT làm lạnh nitơ lỏng, vv

• Laser trạng thái rắn: Hiệu suất ổn định và tuổi thọ lên đến hơn 10 năm

• Nguồn sáng: nhập khẩu hiệu suất cao, nguồn sáng lâu dài, nguồn sáng có chức năng ngủ đông tự động.