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我校刘小浩教授团队在催化领域Top期刊ACS Catalysis 发表最新研究成果

发布日期:2019-07-17 15:13|浏览量:   来源:   图文:刘冰 姜枫 审核:刘仁 潘庆伟

近日,我校刘小浩教授团队在钴基费托反应制低碳烯烃的研究中发现新的催化活性中心,相关研究成果在催化领域Top期刊《ACS Catalysis》上发表(ACS Catal. 2019, 9, 7073-7089),该论文的第一作者为青年教师刘冰副教授,通讯作者为刘小浩教授,江南大学化学与材料工程学院为唯一通讯单位。

费托合成是将合成气(H2/CO/CO2)直接转化为清洁燃料和化学品的重要技术途径之一。然而,费托催化剂物相和表面反应过程极其复杂,对反应机理的认识和产品选择性的调控是催化科学领域中极具挑战性的研究课题。刘小浩教授团队自2014年5月在江南大学成立以来,通过团队成员间的紧密团结协作,围绕上述主题开展系统研究,取得了一系列原创性的基础和应用研究成果,如修正了自1925年费托反应发现以来一直认为的CO2形成的水煤气变换(WGS)反应机理,提出歧化(Boudouard)反应是形成CO2的主要途径(Catal. Sci. Tech. 2018, 8, 5288-5301);打破常规催化剂的合成方法,将大尺寸铁球纳米粒子(α-Fe2O3, >120 nm)置于二维石墨烯材料上,在反应气氛下原位诱导铁球纳米粒子切割演变形成圆柱状胶囊结构小尺寸纳米碳化铁粒子(χ-Fe5C2, <10 nm),且只暴露最有利于烯烃形成的单一(510)晶面,实现合成气一步高效制高价值的α-烯烃(Catal. Sci. Tech. 2017, 7, 4609-4621, 封面文章);提出了RXR方法成功揭示了钴基费托反应中钴纳米粒子的结构和物相演变规律,及其对反应性能的影响(Appl. Catal. B: Environ. 2017, 210, 1-13);设计了双功能催化剂(χ-Fe5C2-HZSM-5),通过择形催化在分子筛孔内形成目标产物、对非择形活性位进行钝化和双功能活性中心距离的调控有效避免异构化和烷基化等副反应,实现了将合成气经上百种费托反应中间体高效转化为2-3种容易分离的高价值的芳烃,特别是对二甲苯(Catal. Sci. Tech. 2019, 9, 593-610,封面文章Catal. Sci. Tech. 2019, DOI:10.1039/C9CY00750D)。

合成气一步制α-烯烃纳米胶囊催化剂          合成气一步制对二甲苯双功能催化剂

在上述工作的基础上,刘小浩教授团队在钴基费托反应中,首次发现了新的碳化钴Co3C(101)活性中心,该活性中心具有独特的山脊型表面结构和较低的d带中心。这种山脊型结构减弱了表面CH2*物种之间的排斥,有利于耦合反应;较低的d带中心能减弱表面CH2*物种与活性位的吸附强度,有效抑制深度加氢形成不期望的甲烷产物,同时较低的d带中心也有利于低碳烯烃的脱附和抑制链增长形成长链烃,从而提高目标产物低碳烯烃的选择性。尽管上述结构有利于低碳烯烃的形成,然而由于其较弱的氢(H)结合能力,导致CO活化解离能力较差。进一步的研究发现:金属钴和碳化钴界面处(Co-Co3C)存在电子积聚现象,这些电子能够转移到CO的反键轨道上,从而大大促进CO解离,同时,这些积聚的电子也有利于界面处低碳烯烃的脱附。该项研究为设计高性能钴基费托催化剂、调节产物选择性提供了新的思路和理论基础。研究工作得到了江苏省自然科学基金面上项目(BK20151125)、国家自然科学基金面上项目(21576119, 21878127)和中央高校基本科研业务重点项目(JUSRP51720B)以及江南大学的资助。

钴物相结构-反应性能关系

《ACS Catalysis》2019年的影响因子为12.22,是美国化学会的旗舰期刊,主要刊登催化化学领域高水平的研究成果,属于化学学科Top期刊与中科院1区期刊。

文章链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.9b00352

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