二氧化碳的活化及其催化加氢制二甲醚的研究进展

CO₂是一种稳定的物质,其化学惰性限制了CO₂转化技术的发展。本文介绍了化学催化、生物活化、光电活化及等离子体活化等CO₂活化方式,从CO₂催化加氢合成二甲醚的工艺研究、催化剂开发、催化加氢机理和本征动力学研究等方面综述了CO₂催化加氢合成二甲醚的研究进展,认为化学催化法是目前应用最广泛的一种CO₂活化方式。对于一步法催化CO₂加氢合成二甲醚的工艺,其难点是制备高效CO₂活化催化剂。开发高效的CO₂活化及转化催化剂及对CO₂合成二甲醚的反应过程进行机理探究,是推广CO₂转化技术的关键。     

二氧化碳加氢制甲醇铜基催化剂性能的研究进展

二氧化碳（CO₂）加氢制甲醇对于解决CO₂排放和能源紧缺问题具有重要意义，催化剂的研究是这项技术的关键。铜基催化剂因高效廉价而被广泛研究，但目前的生产效率离实现工业化仍有距离。本文针对铜基催化剂，首先探讨了活性中心的存在形式，然后从活性组分负载量、载体、助剂、制备方法及条件、预处理条件这5个方面，分别分析其对催化剂的活性、选择性以及稳定性等的影响，以期为CO₂高值转化为甲醇的铜基催化剂的制备和筛选提供参考。按照广泛接受的双位点机理可知，CO₂转化率与铜表面积密切相关，甲醇选择性与强碱位点含量密切相关。因此，各方面因素通过影响催化剂比表面积、铜表面积、铜分散度、碱性位点、铜与载体的协同作用等物理化学参数，进而影响CO₂转化率与甲醇选择性。     

溶胶-凝胶法制备Cu-ZnO-ZrO2催化剂：柠檬酸用量对催化剂性能的影响

采用溶胶-凝胶法以铜、锌、锆硝酸盐和柠檬酸为原料，改变柠檬酸用量，制备出一系列Cu-ZnO-ZrO₂催化剂。通过X射线衍射仪（XRD）、热重分析仪（TG-DTG-DTA）、H₂程序升温还原（H₂-TPR）、CO₂程序升温脱附（CO₂-TPD）、红外光谱仪（FTIR）及BET比表面积等表征手段对干凝胶及催化剂理化性能进行测试，并在催化反应活性评价装置上对催化剂的CO₂加氢合成甲醇反应活性进行评价，研究凝胶过程中Cu²⁺、Zn²⁺、Zr⁴⁺与柠檬酸结合方式对催化剂性能的影响。结果表明：改变柠檬酸用量可调控Cu²⁺、Zn²⁺、Zr⁴⁺与羧酸的配位方式，配位能力较强的Cu²⁺、Zn²⁺在凝胶制备过程中参与三维网络的构筑，而配位能力相对较弱的Zr⁴⁺游离于三维网络之外，从而差异化地调控催化剂中活性组分CuO、ZnO、ZrO₂晶粒尺寸大小。当柠檬酸的摩尔量为金属离子摩尔量的1.5倍时，催化剂中的活性成分CuO、ZnO、ZrO₂晶粒尺寸相互匹配，表现出较好的CO₂加氢合成甲醇催化性能。     

结构化铜基催化剂电化学还原CO2为多碳产物研究进展

近年来,随着有关铜基催化剂价态、晶面、微观形态等结构化因素对其催化性能影响的研究不断深入,铜基催化剂电化学还原CO₂高选择性制备高附加值多碳（C₂₊）产物取得长足进展。本文系统综述了近五年来结构化铜基催化剂电化学还原CO₂生成C₂₊产物的研究报道,并分析总结了铜基催化剂表面混合价态、高活性晶面和丰富晶界的存在,以及富含限域空间的形态学结构（纳米线阵列、纳米树突和纳米多孔结构等）的构建与其电化学还原CO₂生成C₂₊产物的活性和选择性之间的构效关系。进一步提出了CO₂电化学还原领域发展的新趋势,即充分发挥各个结构化因素的协同作用,原位制备具有混合价态和丰富晶界的纳米多孔结构铜基催化剂,并在流通池中高效还原CO₂持续生成C₂₊产物。     

柴油车用NH3-SCR铜基分子筛催化剂孤立态Cu2+研究进展

NH₃选择催化还原技术(NH₃-SCR)作为一种高效去除NO_x的手段,已广泛地应用到柴油车尾气脱硝过程当中。车用NH₃-SCR技术常采用铜基分子筛作为催化剂,尾气中的氮氧化物可在催化剂的作用下,与NH₃反应转化为N₂;但在实际应用过程中,N₂O的生成、催化剂的水热老化与尾气中的SO₂会影响铜基分子筛催化剂的脱硝性能。因此,本文以Cu-SSZ-13分子筛催化剂中孤立态Cu²⁺的研究进展为基础,总结了Cu-SSZ-13中两种孤立态Cu²⁺对NH₃-SCR反应与N₂O生成的影响;综述了两种孤立态Cu²⁺对水热老化与SO₂响应的差异;归纳了诱导Cu-2Z生成的手段。同时,本文以Cu-LTA分子筛催化剂的研究现状为例,简要回顾了Cu-LTA中孤立态Cu²⁺的研究进展,对C...     

合成气经二甲醚羰基化及乙酸甲酯加氢制无水乙醇的研究进展

合成气经二甲醚羰基化及乙酸甲酯加氢路线制无水乙醇技术因具有诸多优点而备受市场关注。本文综述了该工艺的核心反应机理和最近研究进展。主要探讨了丝光沸石8元环与12元环对羰基化反应的作用。阐明了如何通过调变丝光沸石8元环与12元环的活性位来提高羰基化催化剂的活性与稳定性。评述了铜纳米粒子的粒径、分散度以及Cu⁺与Cu⁰的分布等特点对铜基催化剂加氢催化活性的影响。提高乙醇选择性与催化剂稳定性是该研究的重点与难点。指出羰基化催化剂的优化重点是调变丝光沸石的孔道结构,加氢催化剂的发展方向是构建高分散度的铜纳米粒子,并在反应过程中保持稳定。     

Cu/SSZ-13催化剂脱硝活性中心与催化性能构效关系的研究

NH₃选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）是目前最有应用前景的柴油车尾气净化技术,该技术的核心是开发具备优异催化性能的催化剂。以具有菱沸石（chabazite,CHA）结构的小孔分子筛SSZ-13为载体制备的Cu/SSZ-13催化剂,因具有优异的催化性能和水热稳定性能而受到广泛关注。制备了系列Cu_x/SSZ-13催化剂,并通过CO原位漫反射红外光谱（DRIFT）和H₂-TPR等方法能够确定具有高催化活性的铜离子在SSZ-13分子筛上的落位和存在状态。CO红外吸附实验发现,采用Cu(NO₃)₂水溶液离子交换法制备的Cu/SSZ-13催化剂上存在多种落位的Cu⁺活性中心。在较低的Cu⁺交换度条件下,Cu⁺优先落位于SSZ-13分子筛的八元环位置,随着交换度的提高,Cu⁺开始落位于SSZ-13分子筛双六元环的位置。H₂-TPR结果表明Cu_x/SSZ-13催化剂上也存在大量落位在八元环位置不稳定的Cu²⁺,这些Cu²⁺很容易被还原为Cu⁺。Cu_x/SSZ-13催化剂经800℃水蒸气连续老化16 h,分子筛骨架崩塌程度随着Cu含量的增加而提高,骨架铝的脱除,导致Cu物种发生团聚,而第二金属Ce元素的引入能够在一定程度上提高Cu/SSZ-13的水热稳定性。催化剂构效关系研究表明,具有一定量稳定存在的Cu⁺,并且拥有大量不稳定存在Cu²⁺的催化剂具有较宽温度范围的脱硝性能。     

MOFs材料在CO2加氢制甲醇催化剂中的应用

作为最主要的温室气体，CO₂的大量排放引发了全球变暖等一系列环境问题。利用CO₂加氢合成甲醇是实现CO₂循环利用、解决环境问题的切实可行的途径。开发高效、高选择性的催化剂是实现CO₂加氢制甲醇工业化应用的关键。近年来，金属有机骨架(MOFs)材料由于其结构多样性、设计灵活性的特点在催化领域引起了广泛关注，MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的合成，可以有效解决目前CO₂加氢制甲醇催化剂存在的反应选择性低、CO₂转化率低、合成速率低等一系列问题，提高催化性能。综述了CO₂加氢制甲醇MOFs材料催化剂的研究进展，论述了MOFs材料应用于CO₂加氢制甲醇催化剂的优势及合成方法，评价了MOFs材料对不同的金属基催化剂的改善作用及存在的不足，并对其应用的挑战和前景进行了讨论。     

Ag单原子负载N改性石墨烯催化CO2加氢制甲酸的理论计算

甲酸是理想的化学储氢介质和有前景的燃料源，CO₂催化加氢制甲酸原子经济性高，是CO₂减排的有效途径之一。通过DFT计算研究了Ag单原子负载N改性石墨烯催化CO₂加氢制甲酸，在4种催化剂上分别考察了3条路线合成产物。结果表明：N的引入提高了催化剂对反应物的吸附能力，降低了反应活化能垒，提高了催化剂的催化活性，为新型2D催化剂催化CO₂加氢制甲酸提供了理论基础。     

CO2高值化利用：CO2加氢制甲醇催化剂研究进展

二氧化碳（CO₂）催化加氢制备甲醇等重要化工原料是一项具有前景的碳循环利用技术。目前,该技术的核心挑战是开发出高活性、高选择性和高稳定性的CO₂加氢催化剂。相比于传统的铜基催化剂,铟基催化剂有较高的甲醇选择性和高温稳定性,近年来受到学术界的关注。然而,目前人们对In基催化剂CO₂加氢反应机理和催化本质等科学问题的认知尚未形成统一理论。本综述总结了催化剂制备、反应机理研究与热力学分析、催化剂结构表征方法等进展。针对目前存在的单程转化率不高、催化剂稳定性不足等问题,提出未来研究方向包括引入新的助剂或活性组分,设计特殊结构的催化剂以及耦合分子筛等。     

Al掺杂的Cu/SBA-15催化剂用于己二酸二甲酯加氢合成1,6-己二醇

作为一种重要的有机合成原料,1,6-己二醇(HDO)的工业化生产主要通过己二酸二甲酯(DMA)加氢反应来实现,而理性设计开发相应的Cu基催化剂是提高HDO产率的关键。本文采用Al掺杂的介孔分子筛SBA-15为载体制备得到了一系列CuAlx/SBA-15催化剂,探究了使用该催化剂用于DMA加氢反应合成HDO的催化性能和催化机理,并对反应条件进行了优化。研究结果表明：CuAl₅/SBA-15催化剂能够增加催化剂的路易斯酸酸量,提高Cu⁺/Cu⁰的比例,从而提升DMA加氢反应的选择性,同时Al的掺杂也能减少Cu活性组分的团聚,从而增强催化剂的稳定性。当反应温度为240℃、反应压力为6MPa、反应时间为6h时,HDO的反应产率达到最大,为87.05%;重复使用CuAl₅/SBA-15催化剂36h后,HDO的反应产率能够维持在86.01%左右。本文的研究结果对设计Cu基催化剂用于酯加氢反应具有一定的借鉴意义。     

焙烧温度对MgO修饰Cu/ZnO催化剂结构及催化草酸二甲酯加氢反应研究

采用共沉淀法制备了系列掺杂Mg2+离子的Cu-Mg/ZnO[n(Cu)∶n(Zn)=5∶4]催化剂,并用N2吸附-脱附、XRD和H2-TPR等对催化剂进行表征,考察焙烧温度对催化剂结构及其催化草酸二甲酯加氢反应性能的影响。结果表明,经350℃焙烧所得Cu-Mg/ZnO-c350催化剂具有较大的比表面积,发达的介孔结构,较高的Cu物种分散性和较多的表面Cu0活性位;而较高的焙烧温度导致催化剂中纳米粒子聚集烧结,降低催化剂比表面积、孔径尺度和表面Cu0活性物种数量。适宜反应条件,Cu-Mg/ZnO-c350催化剂催化草酸二甲酯气相加氢反应转化率为100%,乙二醇收率为95%。此外,较强的金属-载体作用力抑制铜活性物种的抗烧结能力,赋予其优异的稳定性。     

Enhanced synergy between Cu0 and Cu+ on nickel doped copper catalyst for gaseous acetic acid hydrogenation

As the substitution of common noble catalysts in the hydrogenation of carboxylic acid, a highly effective Cu-Ni/SiO₂ catalyst was prepared by a novel stepwise ammonia evaporation method. Its performance in the gas-phase hydrogenation of acetic acid was further examined. With the introduction of Ni dopant, more stable Cu^δ+ sites, which can adsorb more acetic acid, were formed due to the electron transfer from Cu to Ni. This makes more Cu⁰ sites available for hydrogen adsorption, which was suggested as the rate-determining step in acetic acid hydrogenation. A conversion of 99.6% was successfully achieved on this new Cu/SiO₂-0.5Ni catalyst, accompanied by the ethanol selectivity of 90%. The incorporation of nickel between copper nanoparticles enhances the synergistic effect between Cu⁰ and Cu⁺. It also helps mitigate the aggregation of copper nanoparticles due to the Ostwald ripening effect induced by acetic acid and enhance the stability of copper catalyst in the conversion of carboxylic acid.     

Cu基CO2合成甲醇催化剂载体的研究进展

氧化物载体与Cu之间的相互作用、CO₂的活化位点、表面反应机理、表面反应路径直接影响CO₂催化加氢的产物分布。因此，探明不同金属–载体的相互作用和界面微观结构至关重要。本文综述了CO₂催化加氢合成甲醇Cu基催化剂载体的研究现状，重点综述了ZnO、ZrO₂、CeO₂、TiO₂这4种具有氧空位的载体，并简单总结了SiO₂、Al₂O₃、Zn-Zr、Ce-Zr、钙钛矿等其他氧化物载体。Cu与ZnO之间的强金属相互作用（SMSI）所形成的Cu/ZnO_x是主要的活性位点，对其微观结构与反应机理研究得较为充分；对Cu/ZrO₂的研究主要集中在ZrO₂晶相的影响，不同的研究者所获得的结论尚存在争议；对Cu/CeO₂的机理研究停留在反向CeO₂/Cu(111)模型表面，负载型催化剂上不同晶面的CeO₂与Cu的相互作用强度不同，并影响反应性能；Cu/TiO₂中TiO₂的影响因素较多，如晶型、晶面等，目前对其研究尚不全面。最后，本文分析并展望了CO₂加氢制甲醇催化剂载体的研究方向，未来将采用与实际催化剂一致的正向模型表面进行基础研究，并基于原位表征手段对反应过程中催化剂的结构变化进行探索，最终设计高效、低成本的多元复合物载体的Cu基催化剂。     

Active sites in Cu/ZnO/ZrO2 catalysts for methanol synthesis from CO/H2

Among various Cu/ZnO/ZrO₂ catalysts with the Cu/Zn ratio of 3/7, the one with 15 wt.% of ZrO₂ obtains the best activity for methanol synthesis by hydrogenation of CO. The TPR, TPO and XPS analyses reveal that a new copper oxide phase is formed in the calcined Cu/ZnO/ZrO₂ catalysts by the dissolution of zirconium ions in copper oxide. In addition, the Cu/ZnO/ZrO₂ catalyst with 15 wt.% of ZrO₂ turns out to contain the largest amount of the new copper oxide phase. When the Cu/ZnO/ZrO₂ catalysts is reduced, the Cu²⁺ species present in the ZrO₂ lattice is transformed to Cu⁺ species. This leads to the speculation that the addition of ZrO₂ to Cu/ZnO catalysts gives rise to the formation of Cu⁺ species, which is related to the methanol synthesis activity of Cu/ZnO/ZrO₂ catalyst in addition to Cu metal particles. Consequently, the ratio of Cu⁺/Cu⁰ is an important factor for the specific activity of Cu/ZnO/ZrO₂ catalyst for methanol synthesis.     

载体改性对Cu/B/Al2O3结构及其催化醋酸仲丁酯加氢性能的影响

以γ-Al₂O₃为载体采用分步浸渍法制备了不同金属氧化物进行载体改性的Cu/B/M/Al₂O₃(M=Mg,Ca,Ni)催化剂,并测试了其催化醋酸仲丁酯加氢反应的性能。结果表明,以NiO进行载体改性的催化剂导致酯加氢反应中大量酸催化产物及烃类出现;以MgO进行载体改性不利于金属Cu的分散且催化剂的结构稳定性较差;以CaO对γ-Al₂O₃载体进行改性不仅能够促进金属Cu的分散,提高催化剂的酯加氢活性和产物选择性,而且可以有效减少反应中非活性碳物种在催化剂表面的沉积。     

In situ XPS investigations of Cu1−xNixZnAl-mixed metal oxide catalysts used in the oxidative steam reforming of bio-ethanol

A series of CuNiZnAl-multicomponent mixed metal oxide catalysts with various Cu/Ni ratios were prepared by the thermal decomposition of Cu_1−xNi_xZnAl-hydrotalcite-like precursors and tested for oxidative steam reforming of bio-ethanol. Dehydrogenation of EtOH to CH₃CHO is favored by Cu-rich catalyst. Introduction of Ni leads to CC bond rupture and producing CO, CO₂ and CH₄. H₂ yield (selectivity) varied between 2.6–3.0 mol/mol of ethanol converted (50–55%) for all catalysts at 300 °C. The above catalysts were subjected to in situ XPS studies to understand the nature of active species involved in the catalytic reaction. Core level and valence band XPS as well as Auger electron spectroscopy revealed the existence of Cu²⁺, Ni²⁺ and Zn²⁺ ions on calcined materials. Upon in situ reduction at reactions temperatures, the Cu²⁺ was fully reduced to Cu⁰, while Ni²⁺ and Zn²⁺ were partially reduced to Ni⁰ and Zn⁰, respectively. On reduction, the nature of ZnO on Cu-rich catalyst changes from crystalline to amorphous, relatively inert and highly stabilized electronically. Relative concentration of the Ni⁰ and Zn⁰ increases upon reduction with decreasing Cu-content. Valence band results demonstrated that the overlap between 3d bands of Cu and Ni was marginal on calcined materials, and no overlap due to metallic clusters formation after reduction. Nonetheless, the density of states at Fermi level increases dramatically for Ni-rich catalysts and likely this influences the product selectivity.