Trans Tianjin Univ | CO₂转化制化学品和燃料的多相催化研究进展

PART01

文章信息

Dunfeng Gao, Wanjun Li, Hanyu Wang, Guoxiong Wang, Rui Cai. Heterogeneous Catalysis for CO₂ Conversion into Chemicals and Fuels, Trans. Tianjin Univ. (2022). https://doi.org/10.1007/s12209-022-00326-x 

Received: Received: 20 May 2022 / Revised: 7 June 2022 / Accepted: 9 June 2022 /

扫描二维码 可直接下载本文

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-022-00326-x

PART02

本文亮点

1. 总结了热催化、电催化和光（电）催化CO₂转化制化学品和燃料的多相催化研究最新进展，并重点介绍了不同转化路线的一些代表性研究。

2. 通过结合先进的原位/现场光谱和显微表征及密度泛函理论计算，揭示了用于CO₂转化反应的典型催化材料的构效关系。

3. 指出未来研究要在比较稳定的工业相关的CO₂转化率下，进一步提高单一CO₂还原产物的催化选择性。

PART03

背景及意义

CO₂催化转化制化学品和燃料是减少碳排放和实现碳中和的一种可行方法。通过热催化、电催化和光（电）催化，CO₂可以转化为多种有价值的产品，包括CO、甲酸、甲醇、甲烷、乙醇、乙酸、丙醇、轻烯烃、芳烃、汽油及精细化学品。在这篇综述中，作者总结了CO₂转化制化学品和燃料的多相催化研究最新进展，并重点介绍了不同转化路线的一些代表性研究。通过结合先进的原位/现场光谱和显微表征及密度泛函理论计算，揭示了用于CO₂转化反应的典型催化材料的构效关系。在未来催化基础研究中，活性、选择性和稳定性的调控应面向实际应用面临的问题。为降低下游分离和纯化过程的成本，未来研究要在比较稳定的工业相关的CO₂转化率下，进一步提高单一CO₂还原产物的催化选择性。这种选择性调控可以通过设计新型催化材料、开发多外场耦合（光、热、电和磁）的新型CO₂转化路线来实现。

PART04

图文导读

图1 CO₂转化制化学品和燃料的多相催化路线

图2 ZnO-ZrO₂固溶体催化剂CO₂加氢制甲醇的a 催化性能和b稳定性。经参考文献[22]许可，Copyright 2017, American Association for the Advancement of Science。Ir/AP-POP 催化剂上CO₂加氢生成甲酸盐的c催化性能和d稳定性。经参考文献[28]许可，Copyright 2019, Cell Press。 e Ni/a- TiO2和Ni/a-TiO₂-NH₃的CO₂甲烷化性能。经参考文献[37]许可，Copyright 2019, American Chemical Society。f Ir/TiO₂的CO₂ 甲烷化性能。经参考文献[40]许可，Copyright 2020, Royal Society of Chemistry。

图3  a, b ZnZrO/SAPO串联催化剂上CO₂加氢制轻烯烃的性能。经参考文献[55]许可，Copyright 2017, American Chemical Society。ZnAlOx/H-ZSM-5串联催化剂上CO2加氢制芳烃的c催化性能和d稳定性。经参考文献[56]许可，Copyright 2018, Springer Nature。Na- Fe₃O₄/HZSM-5多功能催化剂对CO₂加氢制汽油的e催化性能和f稳定性。经参考文献[62]许可，Copyright 2017, Springer Nature。g, h双功能 Ir₁-In₂O₃单原子催化剂上CO₂加氢制乙醇的性能。经参考文献[64]许可，Copyright 2020, American Chemical Society。  

图4 a CO₂电解成 CO（CO₂ → CO + 1/2O₂）的能量需求与温度的关系。经参考文献[86]许可，Copyright 2019, Wiley-VCH。b SFRuM钙钛矿表面上钌铁合金纳米粒子的密度和尺寸。 c CO₂电解性能和d氧化还原处理后 SFRuM 的稳定性。经参考文献[104]许可，Copyright 2021, Wiley-VCH。e CO₂电解电流密度和f 1.4 V下的电化学阻抗谱。经参考文献[105]许可，Copyright 2021, American Chemical Society。

图5 a Pd/C 催化剂上 CO₂电还原的选择性转换。经参考文献[118]许可，Copyright 2017, Springer Nature。b Au-CeOx 界面增强了CO₂电还原。经参考文献[123]许可，Copyright 2017, American Chemical Society。 c, d Ni-N-C催化剂的CO₂电还原性能。经参考文献[124]许可，Copyright 2018, Royal Society of Chemistry。e CoPc@Zn-N-C催化剂的CO2电还原性能。经参考文献[149]许可，Copyright 2020, Wiley-VCH。 f Cu-CuI复合催化剂的CO₂电还原性能。经参考文献[161]许可，Copyright 2021, Wiley-VCH。

图6  a CoPc/ZnN4 串联催化剂上 CO₂电还原生成甲烷和 b Cu/Ag 串联催化剂上乙烯以及 c ZnZrO/ZSM-5 串联催化剂上CO₂加氢制芳烃的拟议反应机理。 a经参考文献[149]许可，Copyright 2020, Wiley-VCH。 b经参考文献[163]许可，Copyright 2019, American Chemical Society。c经参考文献[57]许可，Copyright 2019, Cell press。

图7 a MEA CO₂电解器示意图。b, c在 MEA 电解器中Cu 催化剂的CO₂ 电还原性能。 经参考文献[171]许可，Copyright 2020, Springer Nature。

图8a可见光照射下Au/p-GaN、Cu/Au/pGaN和Cu/Au/Al₂O₃/p-GaN的光催化CO₂还原生成 CO性能。经参考文献[190]许可，Copyright 2021, American Chemical Society。 b 无辅助PEC串联系统中CO和H₂的法拉第效率。经参考文献[191]许可Copyright 2020, Wiley-VCH。

PART05

通讯作者简介

 汪国雄 

2000年于武汉大学获学士学位，2006年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。2007-2010年在日本北海道大学催化研究中心从事博士后研究，后加入大连大学催化国家重点实验室任副研究员，2015年晋升为研究员。主要从事二氧化碳电解制燃料和化学品研究，包括催化剂设计与制备、电化学原位动态表征、电解器件与技术等。作为核心成员获得2017年全国创新争先奖牌， 2019年入选中国科学院青年创新促进会优秀会员，2021年获得国家杰出青年科学基金资助。

 蔡睿 

1999年于南京大学获学士学位，2005年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。2006-2010年在美国加州大学河滨分校博士后研究，于2010年加入中国科学院大连化学物理研究所。现任大连化学物理研究所和青岛生物能源与过程研究所副所长、研究员。主要研究方向为无机膜材料分离与催化研究以及能源科技战略研究。承担和参与多项能源化工领域国家、地方和企业的战略规划与咨询研究项目，获2015年度国家能源局能源软科学研究优秀成果一等奖。

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙

副主编：张铁锐/Rafael Luque/张强

电话 : [phone]
邮箱：[e-mail]

欢迎投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/transtju

《天津大学学报（英文版）》是由教育部主管、天津大学主办的学术性英文期刊，被EI、Scopus等多家国际著名数据库收录。2018年改版为专业刊，重点刊登能源材料、能源化学与化工领域的原创性、创新性研究成果，包括太阳能利用、产氢与储氢、二氧化碳捕获和转化、燃料电池、电池和超级电容器、催化、煤炭和石油的清洁利用、生物燃料、能源政策等主题。本刊与Springer合作出版，在SpringerLink上全文在线，做到了快速审稿和出版。2016年入选“中国科技期刊国际影响力提升计划”，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”，2021年荣获“中国国际影响力优秀学术期刊”，2022年入选《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》。欢迎大家关注和投稿！

扫描下方二维码即可关注我们~

微信

网站

微博

点击左下角「阅读原文」查看原文

↙↙↙