催化学报 ›› 2025, Vol. 70: 272-284.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60235-4
强文军a,1, 廖多华a,1, 王茂林b, 曾令真b, 李伟奇a, 马雪冬a, 杨亮a, 李爽a,*(), 马丁b,*(
)
收稿日期:
2024-10-15
接受日期:
2025-01-05
出版日期:
2025-03-18
发布日期:
2025-03-20
通讯作者:
* 电子信箱: shuangli722@126.com (李爽),dma@pku.edu.cn (马丁).
作者简介:
1共同第一作者.
基金资助:
Wenjun Qianga,1, Duohua Liaoa,1, Maolin Wangb, Lingzhen Zengb, Weiqi Lia, Xuedong Maa, Liang Yanga, Shuang Lia,*(), Ding Mab,*(
)
Received:
2024-10-15
Accepted:
2025-01-05
Online:
2025-03-18
Published:
2025-03-20
Contact:
* E-mail: About author:
1 Contributed equally to this work.
Supported by:
摘要:
CO2辅助乙烷氧化脱氢(CO2-ODHE)是将低碳烷烃(乙烷)和温室气体CO2进行一体化资源利用的绿色工程, 具有重要意义. 该技术为碳资源有效利用、重要化工产品生产以及环境保护等提供了新的发展思路. 然而, 乙烷C-C/C-H键竞争性断裂仍然是研制高性能催化剂的重大挑战. 工业上主要通过乙烷蒸汽裂解和催化裂化生产乙烯, 但存在能耗高、碳排放大、结焦严重等缺点. 利用CO2作为温和氧化剂, 选择性氧化乙烷脱氢制乙烯, 是更为原子经济性的反应, 并得到了工业界和学术界的广泛关注. 然而, 乙烷和CO2转化率以及烯烃的选择性强烈依赖催化剂的组成和结构, 目前普遍存在活性有限、选择性不高、稳定性不够理想的问题. 合理设计催化剂是实现C-H键选择性剪裁和高效活化CO2的关键.
本文采用沉积-沉淀法制备了一系列ZnO掺杂ZrO2双功能催化剂(ZnxZrO), 并通过原位表征和乙烷脉冲实验揭示了CO2-ODHE反应重要的表面化学过程. X射线衍射、拉曼光谱、X射线吸收近边结构、X射线光电子能谱及二氧化碳程序升温脱附结果表明, ZrO2中掺杂Zn2+后形成了Zn-O-Zr位点以及产生了更多氧空位(OV). 通过原位红外及乙烷脉冲实验揭示了两种类型活性位点的功能: 中等强度Lewis酸性位点(Zn-O-Zr位点)选择性地断裂乙烷C-H键, 而强Brönsted碱性位点(氧空位)有效地激活CO2 C=O键. 在ZnxZrO催化剂上, CO2-ODHE主要遵循乙烷脱氢和RWGS串联反应机理. 即乙烷在Zn-O-Zr位点直接脱氢生成C2H4和副产物H; 接着, CO2与副产物H在氧空位上反应生成甲酸中间体, 甲酸中间体进一步解离成CO和H2O, 同时Zn-O-Zr活性位点再生完成整个反应循环. 在性能测试方面, Zn0.2ZrO催化剂表现出最佳的催化活性, 在5 h内平均C2H6转化率, C2H4产率和CO2转化率分别达到19.1%, 10.5%和10.6% (600 °C, GHSV = 3000 mL/(g·h)). 尤其当GHSV增加至6000 mL/(g·h)时, 乙烯初始时空产率为355.5 μmol/(min·g).
综上所述, 本工作不仅为设计和研制廉价、高活性、高稳定性的催化剂提供依据和理论指导,助力实现CO2利用的“闭路循环”, 而且为靶向性地裁剪C-H键生成烯烃提供了一种催化剂设计思路.
强文军, 廖多华, 王茂林, 曾令真, 李伟奇, 马雪冬, 杨亮, 李爽, 马丁. ZnxZrO催化剂上协同位点用于乙烷C-H键靶向性断裂及CO2活化[J]. 催化学报, 2025, 70: 272-284.
Wenjun Qiang, Duohua Liao, Maolin Wang, Lingzhen Zeng, Weiqi Li, Xuedong Ma, Liang Yang, Shuang Li, Ding Ma. Synergistic sites over the ZnxZrO catalyst for targeted cleavage of the C-H bonds of ethane in tandem with CO2 activation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2025, 70: 272-284.
Fig. 2. (a) XRD patterns of ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts. (b) The partially enlarged XRD patterns of ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts. (c) Raman spectra of ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts.
Catalyst | Crystal structure | ZrO2 lattice parameter a | Cell volume a (Å^3) | Average grain size a (nm) | I582/I438 b | |
---|---|---|---|---|---|---|
a (Å) | c (Å) | |||||
ZrO2 | t-ZrO2/m-ZrO2 | 3.5931 | 5.1309 | 67.01 | 12 | - |
Zn0.02ZrO | t-ZrO2 | 3.5987 | 5.1140 | 66.77 | 17 | 0.27 |
Zn0.05ZrO | t-ZrO2 | 3.6004 | 5.1098 | 66.50 | 19 | 0.37 |
Zn0.1ZrO | t-ZrO2 | 3.6013 | 5.1089 | 66.42 | 23 | 0.42 |
Zn0.2ZrO | t-ZrO2 | 3.5926 | 5.0935 | 66.33 | 27 | 0.53 |
Zn1ZrO | t-ZrO2/h-ZnO | 3.5982 | 5.2506 | 67.29 | 40 | 0.44 |
ZnO | h-ZnO | 3.2491 | 5.2048 | 47.58 | >100 | 0.34 |
Table 1 Crystal structures, the ZrO2 lattice parameters, cell volume, average grain size, and relative concentration of OV for ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts.
Catalyst | Crystal structure | ZrO2 lattice parameter a | Cell volume a (Å^3) | Average grain size a (nm) | I582/I438 b | |
---|---|---|---|---|---|---|
a (Å) | c (Å) | |||||
ZrO2 | t-ZrO2/m-ZrO2 | 3.5931 | 5.1309 | 67.01 | 12 | - |
Zn0.02ZrO | t-ZrO2 | 3.5987 | 5.1140 | 66.77 | 17 | 0.27 |
Zn0.05ZrO | t-ZrO2 | 3.6004 | 5.1098 | 66.50 | 19 | 0.37 |
Zn0.1ZrO | t-ZrO2 | 3.6013 | 5.1089 | 66.42 | 23 | 0.42 |
Zn0.2ZrO | t-ZrO2 | 3.5926 | 5.0935 | 66.33 | 27 | 0.53 |
Zn1ZrO | t-ZrO2/h-ZnO | 3.5982 | 5.2506 | 67.29 | 40 | 0.44 |
ZnO | h-ZnO | 3.2491 | 5.2048 | 47.58 | >100 | 0.34 |
Fig. 3. HRTEM images of ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts. (a,b) ZrO2; (c,d) Zn0.02ZrO; (e,f) Zn0.05ZrO; (g,h) Zn0.1ZrO; (i,j) Zn0.2ZrO; (k-n) Zn1ZrO; (o,p) ZnO.
Fig. 4. Zn K-edge XANES (a) and phase-uncorrected FT-EXAFS (b) spectra of Zn foil, ZnO, and ZnxZrO catalysts (The EXAFS spectra have been obtained by transforming the corresponding k3 χ(k) EXAFS function).
Catalyst | The type of basic sites a (mmol/g) | The type of acid sites b (mmol/g) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Weak | Strong | Total | Weak | Medium | Strong | ||
ZrO2 | 0.1012 | 0.1142 | 0.2154 | 0.0433 | 0.0425 | 0.0768 | |
Zn0.02ZrO | 0.0782 | 0.1224 | 0.2006 | 0.0387 | 0.0494 | 0.0729 | |
Zn0.05ZrO | 0.0459 | 0.1377 | 0.1837 | 0.0243 | 0.0509 | 0.0649 | |
Zn0.1ZrO | 0.0316 | 0.1441 | 0.1757 | 0.0156 | 0.0709 | 0.0521 | |
Zn0.2ZrO | 0.0191 | 0.1501 | 0.1692 | 0.0195 | 0.0771 | 0.0483 | |
Zn1ZrO | 0.0093 | 0.1237 | 0.1316 | 0.0223 | 0.0520 | 0.0382 |
Table 2 The acid-base properties of ZrO2 and ZnxZrO catalysts.
Catalyst | The type of basic sites a (mmol/g) | The type of acid sites b (mmol/g) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Weak | Strong | Total | Weak | Medium | Strong | ||
ZrO2 | 0.1012 | 0.1142 | 0.2154 | 0.0433 | 0.0425 | 0.0768 | |
Zn0.02ZrO | 0.0782 | 0.1224 | 0.2006 | 0.0387 | 0.0494 | 0.0729 | |
Zn0.05ZrO | 0.0459 | 0.1377 | 0.1837 | 0.0243 | 0.0509 | 0.0649 | |
Zn0.1ZrO | 0.0316 | 0.1441 | 0.1757 | 0.0156 | 0.0709 | 0.0521 | |
Zn0.2ZrO | 0.0191 | 0.1501 | 0.1692 | 0.0195 | 0.0771 | 0.0483 | |
Zn1ZrO | 0.0093 | 0.1237 | 0.1316 | 0.0223 | 0.0520 | 0.0382 |
Fig. 7. C2H6 conversion (a), C2H4 yield (b), and C2H4 selectivity and CO2 conversion (c) over ZrO2, ZnO, and ZnxZrO catalysts. Reaction conditions: T = 600 °C, C2H6:CO2:N2 = 1:1:2, GHSVC2H6 = 3000 mL/(g·h).
Fig. 10. (a) The C2H6 conversion, C2H4 selectivity, and C2H4 STY over Zn0.2ZrO catalyst compared with other catalysts reported in the literature. Reaction conditions: T = 600 or 700 °C, C2H6:CO2:N2 = 1:1:2, GHSVC2H6 = 3000 mL/(g·h), Reference numbers were marked along with symbols. (b) The apparent activation energy of Zn0.2ZrO and other catalysts reported in the literature. Reaction conditions: T = 550, 575, 600, and 700 °C, C2H6:CO2:N2 = 1:1:2, GHSVC2H6 = 3000 mL/(g·h).
Fig. 11. (a) Raman spectra of Zn0.2ZrO pretreated with CO at 500 and 600 °C. (b,c) XPS spectra of Zn0.2ZrO pretreated with HNO3 solution. C2H6 conversion and C2H4 yield over Zn0.2ZrO: pretreated with CO at 500 and 600 °C (d) and pretreated with HNO3 solution (e). Reaction conditions: T = 600 °C, C2H6:CO2:N2 = 1:1:2, GHSVC2H6 = 3000 mL/(g·h).
Fig. 12. In situ FTIR spectra of reaction intermediates over the Zn0.2ZrO catalyst. (a) C2H6:N2 = 1:3; (b) CO2:N2 = 1:3; (c) C2H6:CO2:N2 = 1:1:2. Reaction conditions: T = 300 °C, GHSV = 12000 mL/(g·h)). α: HCOO*, HCO3*, and H3CO* stretching vibrations [76]; β: O-H stretching vibrations and gas CO2 stretching vibrations; γ: C-H and C=C stretching vibrations (ethylene); δ: C-H stretching vibrations (ethane) [77]; λ: C=O stretching vibrations (CO2) [78]; ε: HCOO* stretching vibrations [28].
Fig. 13. C2H6 Conversion (a) and C2H4 selectivity (b) over Zn0.2ZrO catalyst in C2H6 pulse experiment. Reaction conditions: T = 600 °C, C2H6:N2 = 1:3, GHSVC2H6 = 3000 mL/(g·h).
|
[1] | Farideh Kolahdouzan, Nahal Goodarzi, Mahboobeh Setayeshmehr, Dorsa Sadat Mousavi, Alireza Z. Moshfegh. 一维纳米结构在光催化CO2还原中的应用[J]. 催化学报, 2025, 70(3): 230-259. |
[2] | 蔡子国, 于学峰, 王鹏龙, 吴慧芳, 种瑞峰, 任利敏, 胡涛, 王翔. CO2加氢制甲醇Cu/ZnO/Y2O3催化剂中Y2O3的作用[J]. 催化学报, 2025, 70(3): 410-419. |
[3] | 张丽娜, 刘国威, 邓欣妍, 李秋叶, 杨建军. 原子分散的Ba位点作为电子促进剂增强Cu助催化剂的光还原CO2性能[J]. 催化学报, 2025, 70(3): 341-352. |
[4] | 段会梅, 李晓菲, 王传辉, 张丛筠, 余楷文, 陈磊, 张云尚, 纪嘉宾, 杨贤峰, 杨东江. Ir/TiO2催化剂甲烷燃烧反应中TiO2晶面依赖效应[J]. 催化学报, 2025, 70(3): 378-387. |
[5] | 王铭智, 房文生, 朱德雨, 夏琛沣, 郭巍, 夏宝玉. 电化学CO2还原催化剂与反应器串联设计[J]. 催化学报, 2025, 69(2): 1-16. |
[6] | 李兴娟, 郭昱昊, 管勤辉, 李晓, 张璐璐, 冉维广, 李娜, 颜廷江. 高密度Au-OV协同位点促进串联光催化CO2加氢制CH3OH[J]. 催化学报, 2025, 69(2): 303-314. |
[7] | 温东晓, 王楠, 彭嘉禾, 真嶋哲朗, 江吉周. CuxP/g-C3N4异质结催化剂Cu和P双位点协同光催化C-C偶联制备C2H4[J]. 催化学报, 2025, 69(2): 58-74. |
[8] | 胡灵萱, 张艳, 林倩, 曹凤莹, 莫伟豪, 仲淑贤, 林红军, 谢李燕, 赵雷洪, 柏嵩. 双功能氢氧化物助催化剂在优化二维S型光合成系统耦合CO2还原和H2O氧化能力中的镍钴协同效应[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 311-325. |
[9] | 汤雨晴, 陈彦君, Aqsa Abid, 孟子淳, 孙晓颖, 李波, 赵震. 氧化锆催化剂在丙烷催化脱氢中优异性能的再探索: 氧空位的两面性[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 272-281. |
[10] | 钟百灵, 胡俊蝶, 杨晓刚, 舒银颖, 蔡亚辉, 李长明, 曲家福. 金属有机框架中限域金属物种用于CO2加氢: 合成方法、催化机理及未来展望[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 177-203. |
[11] | 王金鑫, 张嘉奇, 陈晨. 电催化二氧化碳还原转化到多碳产物: 铜基催化剂动态表面的视角[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 83-102. |
[12] | 张淼, 张莉民, 王明瑞, 张光辉, 宋春山, 郭新闻. 石墨烯层包覆铁钴合金的电子相互作用促进CO2高效加氢制低碳烯烃[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 366-375. |
[13] | 毛思航, 赫荣安, 宋少青. S型异质结界面超快电子转移促进人工光合成[J]. 催化学报, 2024, 64(9): 1-3. |
[14] | Kaining Li, Yasutaka Kuwahara, Hiromi Yamashita. 聚乙烯亚胺辅助合成包含多尺寸Ni物种的中空碳球用于CO2电还原[J]. 催化学报, 2024, 64(9): 66-76. |
[15] | 付辉, 田金, 张倩倩, 郑昭科, 程合峰, 刘媛媛, 黄柏标, 王朋. 钴单原子修饰的石墨烯助催化剂用于提高卤化物钙钛矿光催化CO2还原活性[J]. 催化学报, 2024, 64(9): 143-151. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||