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大連化物所?ACB:用于高效逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)的Co-N-C單原子催化劑

大連化物所?ACB:用于高效逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)的Co-N-C單原子催化劑設(shè)計高效的非貴金屬催化劑進(jìn)行二氧化碳加氫反應(yīng)是一個重大的挑戰(zhàn),鈷基催化劑通常無法催化具有高CO選擇性和穩(wěn)定性的逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)。
基于此,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所丁云杰研究員,朱何俊研究員,榆林學(xué)院孟宇(共同通訊作者)等人報道了5% Co負(fù)載的氮摻雜碳單原子催化劑(Co-N4),在500 ℃條件下具有近100%的CO選擇性和52.4%的CO2轉(zhuǎn)化率,而20%的Co納米顆粒催化劑具有較高的CH4選擇性,高達(dá)99%。
大連化物所?ACB:用于高效逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)的Co-N-C單原子催化劑
Co-N-C單原子催化劑和Co納米顆粒催化劑具有不同的反應(yīng)路徑。對于Co-N-C單原子催化劑,CO2很難直接解離,而H輔助解離生成COOH*相對較容易;對于Co (111)納米顆粒,CO2可以直接解離,也可以通過H輔助解離生成COOH*
進(jìn)一步對CO*的解吸和進(jìn)一步加氫過程進(jìn)行比較,對于Co-N-C單原子催化劑,吸附的CO解吸比進(jìn)一步的加氫具有更低的能壘,CO優(yōu)先發(fā)生解吸;對于Co (111)納米顆粒,吸附的CO進(jìn)一步加氫的能壘低于其解吸能壘,CO優(yōu)先進(jìn)一步加氫生成CHO*
大連化物所?ACB:用于高效逆水煤氣變換(RWGS)反應(yīng)的Co-N-C單原子催化劑
同時,計算了CO進(jìn)一步加氫反應(yīng)生成CH4的整個反應(yīng)過程,結(jié)果表明,CO加氫反應(yīng)易于生成CH4,并最終使CH4發(fā)生解吸。因此,原子分散的單原子Co是CO2加氫反應(yīng)生成CO所必需的。
由于原子分散的單原子Co表面的CO*的吸附強(qiáng)度較弱,且氫氣解離能力較弱,吸附的CO*將直接解吸成氣態(tài)CO,而Co納米顆粒上的CO*則更容易發(fā)生進(jìn)一步氫化反應(yīng)。對于CO2*的活化,Co-N-C單原子催化劑更傾向于H輔助解離路徑,而Co納米顆粒催化劑更傾向于直接解離路徑。
Single-atom Co-N-C catalysts for high-efficiency reverse water-gas shift reaction. Appl. Catal. B-Environ., 2022, DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.122298.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322012395.

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