"이중탄소" 목표가 착지하는 관건적인 단계에서 어떻게"온실가스"CO₂를 고가치의 메탄올로 변화시킬것인가는 줄곧 과학연구계의 인기과제였다.최근, 저장대학은 네이멍구 다칭산 실험실의 연구팀과 연합하여 좋은 소식을 전해왔다-그들이 개발한 Cu-ZnO/Nb C @ Nb ₂O ₅ 촉매는 CO₂에 수소를 첨가한 메탄올 반응에서 놀라움을 나타냈다.메탄올 생산률이 247mg/(gcat·h)에 달할 뿐만 아니라 선택성은 74.3% 에 달해 60h 연속 운행 성능이 거의 감쇠퇴하지 않았다!이 성과는 탄소 자원의 재활용에 새로운 솔루션을 제공하며 관련 연구 아이디어는 중점적으로 주목할 필요가 있습니다.

CO₂에 수소를 첨가한 메탄올을 언급하면 전통적인 Cu/ZnO/Al₂O 촉매가 먼저 떠오른다.비록 이런 종류의 촉매는 이미 초보적으로 응용되었지만, 줄곧 두 가지 치명적인 문제가 존재한다: 첫째, 고온에서 Cu 입자는 쉽게 뭉치고, ZnO는 쉽게 소결되어 사용 수명이 짧다;둘째, 메탄올의 선택성은 시종 올라가지 못하여 공업의 높은 요구를 만족시키기 어렵다.

팀 연구원:"전통 촉매에 있는 Al₂O는 보조제로 Cu와 ZnO에 대한 앵커 능력이 제한되어 있고, 금속-캐리어 상호작용(SMSI)이 활성 비트를 과도하게 감싸기 쉬워 오히려 촉매 효율에 영향을 미친다.이 한계를 돌파하기 위해 팀은 최근 몇 년 동안 큰 인기를 끌고 있는 새로운 소재인 MXene에 눈을 돌렸다.

MXene은 Mₙ₊XₙTₓ로 통식되는 2차원 과도금속탄화물/질소화물로서 그중의"M비트"(불포화과도금속비트) 는 탄소재료의 고확산성과 금속산화물의 환원성을 겸비하여 부하금속의 구조를 조절할수 있을뿐만아니라 소분자에 대한 흡착성도 강화할수 있다.이번에 팀이 선택한 Nb C MXene은 독특한 층간 구조와 불포화 Nb 위치로 촉매의'핵심 골격'이 되었다.

연구의 핵심 돌파구는 팀이 Nb₂C와 Cu 사이의'전자금속-운반체 상호작용(EMSI)'을 교묘하게 이용했다는 데 있다.X선 광전자 스펙트럼 (XPS) 과 밀도 범함 이론 (DFT) 계산을 통해 확인: Nb C의 불포화 Nb 비트는 Cu 종에게 전자를 이동하여 Cu 표면을"부전자 상태"로 변화시킵니다. 이것은 바로 CO 활성화의"관건적인 암호"입니다!

"부전자의 Cu 표면은 CO₂ 분자를 더 쉽게 잡을 수 있고, 동시에 Nb 비트는 H₂의 흡착과 해리를 촉진할 수 있다."수소 프로그램 가열 환원(H₂-TPR)과 프로그램 가열 탈착(TPD) 실험을 통해 Nb₂C@Nb₂O₅(Nb₂C 부분 산화 형성)은 H₂, CO₂에 대한 강한 흡착력을 보유할 뿐만 아니라 CO₂*에 대한 강한 흡착을 통해 CO₂탈착을 효과적으로 억제하고 메탄올을 생성하는 방향으로 유도하는 것으로 나타났다.

특히 팀은 Cu: Zn: Nb C의 비율을 조정하여 4: 2: 10의 최적의 배합 비율을 찾았습니다.이때 촉매는 안정적인 Cu-Zn-Nb 인터페이스 구조를 형성하여 Cu 나노 입자의 분산성을 보장할 뿐만 아니라 EMSI 작용을 강화하여"활성"과"선택성"의 균형을 이루었다.

CO₂가 어떻게 한 걸음 한 걸음 메탄올로 변했는지 알아내기 위해 팀은에너지 스펙트럼 기술iCAN 5000은형 연구급 부립엽 변환 적외선 스펙트럼, 고압 제자리 DRIFTS 실험을 실시했다.3MPa, 120-240 ℃ 의 실제 반응 조건에서 핵심 중간체의"동적 궤적"을 성공적으로 포착했습니다.

• 120℃에서 HOCO*(1652cm ⁻¹, 1540cm ⁻¹) 및 CO*(2077cm ⁻¹, 2057cm ⁻¹) 신호가 감지되어 CO₂가 HOCO*로 전환된 후 CO*로 분리됨을 나타냅니다.

• 200℃에서 H CO*(981cm ⁻¹, 1051cm ⁻¹) 신호가 증강되어 CO*가 메탄올 전체로 전환되기 시작했다는 것을 증명한다.

•240℃时，H₃CO신호, HCOO가 감지되지 않음(갑산염) 특징봉은 반응이 전통적인 갑산염 경로가 아니라"RWGS (역수 가스 변환) + CO 수소 첨가"경로를 따른다는 것을 직접 확인한다.

"이 발견은 일부 Cu 기반 촉매의 반응 경로에 대한 이전의 인식을 발견하고 후속 촉매 설계에 명확한 방향을 제공합니다.”

성능 연압 동종 촉매, 공업 응용 머지않아

240 ℃, 3MPa의 반응 조건에서 이 Cu-ZnO/Nb₂C @ Nb₂O ₅ 촉매의 표현은""라고 할 수 있다.

• 메탄올 생산률 247mg/(gcat·h), 이미 보도된 Cu 기반 촉매 다수를 훨씬 초과;

• 메탄올 선택성 74.3%로 부산물 CO 생성을 효과적으로 억제한다.

• 60h 연속 운행, CO₂ 전환율, 메탄올 선택성과 생산율은 거의 변동이 없으며 구조적 안정성이 가득 차 있다.

전통적인 Cu/ZnO/Al₂O 촉매에 비해 이 새로운 촉매는"수명이 짧고 선택성이 낮은"통점을 해결했을뿐만아니라 MXene 재료의 조절가능성을 빌어 후속성능최적화에 거대한 공간을 남겼다."다음 단계는 Nb 비트와 Cu의 전자 상호작용을 더욱 강화하고 더 높은 압력, 더 높은 온도에서의 반응 성능을 탐색하여 산업화 응용으로 매진할 계획이다.”

(이 글은 절강대학 팀 관련 연구성과를 참고하여 원문의 핵심데이터 및 기리분석은 이미 엄밀한 실험검증을 통과했으며 만약 깊이있게 료해하려면 원문을 열람하거나 팀에 련락하여 지지정보를 얻을수 있다.)

이 연구에서 언급한 푸리엽 변환 적외선 분광기는 톈진 스펙트럼 과학기술로 출품된 iCAN5000 연구급 푸리엽 변환 적외선 분광기:

• 간섭기: 3차원 레이저 제어 전자동 조정과 고속 스캐닝 동적 정직 제어 기능을 갖춘 자기부상식 간섭기 기술은 장기 검측의 높은 안정성과 정확성을 보장하고 스펙트럼 이탈과 왜곡이 없다.신뢰성, 안정성 및 간섭 방지 성능이 우수합니다.

• 광학 시스템: 모두 금 반사경을 사용하고, 건조 밀폐 전체 합금 광학 대 상자체를 사용하며, 광로 인출 및 인구를 끌어들여 안개 방지 도금층의 적외선 투과 밀봉 창편을 배치하여 높은 안정성과 건조 방습 성능을 가지고 있다.광학대와 샘플창고는 독립적인 분체설계를 채용하여 초대형샘플창고는 각종 적외선분석검측응용을 확장할수 있다.

• 검출기: 고감도 DLATGS, 전자냉방 MCT, 액체질소 냉방 MCT 등을 선택할 수 있다.

• 솔리드 스테이트 레이저: 10년 이상 지속되는 안정적인 성능

• 광원: 수입 고성능, 장수명 광원, 광원은 자동 휴면 기능을 가지고 있다.