催化学报 ›› 2024, Vol. 58: 138-145.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64595-4

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富氮碳鞘内阶梯层状Mo2C异质结用于高效CO2化学固定

许玉帅a, 汪红辉b, 李奇远a, 张仕楠a, 夏思源a, 许冬a, 类伟巍c, 陈接胜a,*(), 李新昊a,*()   

  1. a上海交通大学化学化工学院, 变革性分子前沿科学中心, 上海200240, 中国
    b上海化工研究院有限公司, 上海200062, 中国
    c迪肯大学前沿材料研究所, 吉朗维多利亚, 澳大利亚
  • 收稿日期:2023-11-03 接受日期:2024-01-04 出版日期:2024-03-18 发布日期:2024-03-28
  • 通讯作者: *电子信箱: xinhaoli@sjtu.edu.cn (李新昊),chemcj@sjtu.edu.cn (陈接胜).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22071146);国家自然科学基金(21931005);上海市科学技术委员会(20520711600)

Functional ladder-like heterojunctions of Mo2C layers inside carbon sheaths for efficient CO2 fixation

Yu-Shuai Xua, Hong-Hui Wangb, Qi-Yuan Lia, Shi-Nan Zhanga, Si-Yuan Xiaa, Dong Xua, Wei-Wei Leic, Jie-Sheng Chena,*(), Xin-Hao Lia,*()   

  1. aSchool of Chemistry and Chemical Engineering, Frontiers Science Center for Transformative Molecules, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
    bShanghai Research Institute of Chemical Industry Co. Ltd., Shanghai 200062, China
    cInstitute for Frontier Materials, Deakin University, Waurn Ponds Campus, Locked Bag 20000, Geelong Vic. 3220, Australia
  • Received:2023-11-03 Accepted:2024-01-04 Online:2024-03-18 Published:2024-03-28
  • Contact: *E-mail: xinhaoli@sjtu.edu.cn (X.-H. Li),chemcj@sjtu.edu.cn (J.-S. Chen).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22071146);National Natural Science Foundation of China(21931005);Shanghai Science and Technology Committee(20520711600)

摘要:

在多相催化体系中, 开发具有高催化活性的多相催化剂是实现小分子绿色转化的核心. 过渡金属碳化物, 特别是碳化钼(Mo2C), 因其活性与贵金属相当且成本低廉, 在小分子转化方面具有应用潜力. 二维(2D)过渡金属碳化物因其平面结构两侧具有可暴露的活性位点, 在小分子转化和能量储存方面受到越来越多的关注. 然而, 在催化剂或电极材料的批量制备过程中, 二维层的堆积会导致表面活性位点损失, 严重影响其性能. 此外, 层状材料的堆积还可能阻碍有机分子的有效传递, 形成传质屏障, 进一步影响催化过程. 特别是, 二维过渡金属碳化物表面的氧化会导致活性位点的大量损失, 这已成为当前亟待解决的关键问题. 因此, 开发一种能确保层状Mo2C材料的机械和化学稳定性的有效合成方法, 对于推动其实际应用至关重要.

本文利用可控氧扩散蚀刻法合成了一种富氮碳鞘包覆的“阶梯状”2D-Mo2C异质结材料(2D-Mo2C@NC). 该材料因具有独特的阶梯层状结构和整流界面, 可以显著促进CO2与邻苯二胺的羰基化反应, 并对CO2与多种二胺衍生物的羰基化反应均表现出较好的催化活性. 通过密度泛函理论计算和紫外光电子能谱分析发现, Mo2C与NC壳层的接触界面形成了整流接触, 导致电子从NC壳层流向Mo2C, 进而形成富电子的层状Mo2C. 随着NC壳层氮含量的增加, Mo2C的电子富集程度逐渐增加. 进一步的理论计算和CO2程序升温脱附实验表明, CO2吸附依赖于2D-Mo2C的电子富集程度, 并随2D-Mo2C的电子富集程度增加而增强. 这种电子富集特性使得2D-Mo2C表面能够活化CO2分子, 形成高度扭曲的预吸附结构(键角为118.8°), 有利于后续与二胺的羰基化反应. 邻苯二胺与CO2羰基化反应的吉布斯自由能计算结果表明, 电子的富集程度对反应决速步的能垒影响较小. 因此, 推测CO2分子在富电子Mo2C表面的预吸附增强是促进CO2羰基化反应的直接因素. 实验结果也表明, 2D-Mo2C@NC催化剂催化邻苯二胺与CO2羰基化反应的催化活性随2D-Mo2C的电子密度增强而提高. 优化后的阶梯状异质结2D-Mo2C@NC样品的CO2吸附量高于核壳状异质结Mo2C@NC样品, 且催化性能和CO2吸附量存在明显的正相关关系, 证实了阶梯状异质结结构所暴露出的更多富电子Mo2C活性位点可以促进CO2的预吸附及随后的活化过程. 此外, X射线光电子能谱结果表明, 富电子的2D-Mo2C表现出优于Mo2C的化学稳定性, 不易被氧化. 在优化条件下制得的2D-Mo2C@NC催化剂表现出了最佳催化性能, 在较低的反应温度下, 其催化邻苯二胺与CO2羰基化反应生成2-苯并咪唑啉酮的TOF值为6.1‒10.2 h‒1, 比文献报道的最佳结果高4.2倍.

综上, 本文成功地开发了一种有效的可控氧扩散蚀刻策略, 合成出具有高机械和化学稳定性的“阶梯状”2D-Mo2C异质结材料, 并用于高效催化CO2和邻苯二胺羰基化生成2-苯并咪唑啉酮. 该可控氧扩散蚀刻方法可以扩展到其他二维碳化物的制备, 并进一步扩展其在光催化和电催化系统中的应用, 为二维异质结材料的合成和应用提供了参考和新思路.

关键词: 电子富集2D-Mo2C, CO2固定, 肖特基异质结, 羰基化, 非均相催化

Abstract:

The development of two-dimensional heterogeneous catalysts with highly exposed active site areas for heterogeneous catalytic systems is highly promising for achieving the green transformation of small molecules. 2D transition metal carbides (TMCs) show great promise for catalysis and carbon capture but suffer from heavy aggregation and autooxidation. Mass transfer barrier is also a standard problem of lamellar TMCs caused by slight aggregation of layers. Here, we successfully developed a method to prepare “ladder-like” heterojunctions of Mo2C layers confined inside nitrogen-rich carbon sheaths (2D-Mo2C@NC) via an effective oxygen-diffusion etching strategy, acting as efficient catalysts for CO2 fixation. The enhanced electron enrichment of the as-integrated 2D-Mo2C subunits induced by the Schottky barrier could further keep the exposed Mo2C surface from possible autooxidation and aggregation confronted by conventional 2D TMCs. The experimental results and density functional theory (DFT) calculation further demonstrate that electron-rich Mo2C could boost the adsorption and activation of CO2 for universal carbonylation of various diamines, providing a turnover frequency value (TOF) of 10.2 h-1 to produce benzimidazolone, which is 5.2 times of that of the state-of-the-art catalyst in the literature under even critical conditions.

Key words: Electron-rich 2D-Mo2C, CO2 fixation, Schottky heterojunction, Carbonylation, Heterogeneous catalysis