Ir Single Atoms and Clusters Supported on α-MoC as Catalysts for Efficient Hydrogenation of CO2 to CO

Junwen Lu Shunan Zhang Haozhi Zhou Chaojie Huang Lin Xia Xiaofang Liu Hu Luo Hui Wang

Citation:  Junwen Lu, Shunan Zhang, Haozhi Zhou, Chaojie Huang, Lin Xia, Xiaofang Liu, Hu Luo, Hui Wang. Ir Single Atoms and Clusters Supported on α-MoC as Catalysts for Efficient Hydrogenation of CO2 to CO[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(11): 230202. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302021 shu

负载Ir单原子和团簇的α-MoC催化剂用于高效催化CO2加氢制CO

    通讯作者: 张书南, zhangshn2@shanghaitech.edu.cn
    王慧, wanghh@sari.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2022YFA1504800

    国家重点研发计划 2022YFA1504702

    国家重点研发计划 2022YFB4101900

    国家自然科学基金 22108289

    国家自然科学基金 22279158

    国家自然科学基金 21905291

    中海油化工与新材料科学研究院 YJSCZX07956YJ

    上海市低碳技术创新功能型平台 E244831E01

摘要: 在高温逆水气变换(RWGS)反应中,开发高活性和高稳定性的金属负载型催化剂还存在巨大挑战。针对此问题,本研究采用溶液蒸发自组装法构建了Ir物种负载于α-MoC的协同催化剂,结果表明,Ir与α-MoC的协同效应使其在较宽的温度范围内均有较好的RWGS反应性能。特别是在500 ℃、0.1 MPa、300000 mL·g−1·h−1的反应条件下,0.5%Ir/MoC催化剂的CO2转化率高达48.4%,接近CO2平衡转化率(49.9%),同时,CO选择性和CO时空收率分别高达94.0%和423.1 μmol·g−1·s−1,且在100 h之内反应性能几乎没有衰减,具有优异的高温稳定性,此催化性能也超过了大多数文献报道。系列结构表征表明,Ir物种均匀地分散在α-MoC载体上,其电子较利于转移至α-MoC而形成金属载体强相互作用,极大地提高了催化稳定性;同时,当Ir负载量高于0.2% (质量分数)时,Ir团簇(Irn)和Ir单原子(Ir1)同时存在,与α-MoC形成了Irn-Ir1-C-Mo协同位点。其中,0.5%Ir/MoC催化剂拥有较小尺寸的Irn和较多的Ir1,显著地促进了CO2和H2的吸附和活化,并促进了甲酸盐中间体的生成和解离,从而获得了优异的RWGS性能。这项工作为设计和制备高效稳定的CO2利用催化剂提供了一定的参考和指导。

English

    1. [1]

      Su, X.; Yang, X.; Zhao, B.; Huang, Y. J. Energy Chem. 2017, 26 (5), 854. doi: 10.1016/j.jechem.2017.07.006

    2. [2]

      Chu, W.; Wang, L. -N.; Chernavskii, P. A.; Khodakov, A. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47 (27), 5052. doi: 10.1002/anie.200800657

    3. [3]

      Zhang, D.; Luo, J.; Wang, J.; Xiao, X.; Liu, Y.; Qi, W.; Su, D. S.; Chu, W. Chin. J. Catal. 2018, 39 (1), 157. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62967-X

    4. [4]

      Varvoutis, G.; Lykaki, M.; Papista, E.; Carabineiro, S. A. C.; Psarras, A. C.; Marnellos, G. E.; Konsolakis, M. J. CO2 Util. 2021, 44, 101408. doi: 10.1016/j.jcou.2020.101408

    5. [5]

      Loiland, J. A.; Wulfers, M. J.; Marinkovic, N. S.; Lobo, R. F. Catal. Sci. Technol. 2016, 6 (14), 5267. doi: 10.1039/C5CY02111A

    6. [6]

      Lu, B.; Kawamoto, K. J. Environ. Chem. Eng. 2013, 1 (3), 300. doi: 10.1016/j.jece.2013.05.008

    7. [7]

      Vovchok, D.; Zhang, C.; Hwang, S.; Jiao, L.; Zhang, F.; Liu, Z.; Senanayake, S. D.; Rodriguez, J. A. ACS Catal. 2020, 10 (17), 10216. doi: 10.1021/acscatal.0c01584

    8. [8]

      Jung, H.S.; Zafar, F.; Wang, X.; Nguyen, T. X.; Hong, C. H.; Hur, Y. G.; Choung, J. W.; Park, M. -J.; Bae, J. W. ACS Catal. 2021, 11 (22), 14210. doi: 10.1021/acscatal.1c04451

    9. [9]

      Liu, H. -X.; Li, S. -Q.; Wang, W. -W.; Yu, W. -Z.; Zhang, W. -J.; Ma, C.; Jia, C. J. Nat. Commun. 2022, 13 (1), 867. doi: 10.1038/s41467-022-28476-5

    10. [10]

      Morse, J. R.; Juneau, M.; Baldwin, J. W.; Porosoff, M. D.; Willauer, H. D. J. CO2 Util. 2020, 35, 38. doi: 10.1016/j.jcou.2019.08.024

    11. [11]

      Rodriguez, J. A.; Evans, J.; Feria, L.; Vidal, A. B.; Liu, P.; Nakamura, K.; Illas, F. J. Catal. 2013, 307, 162. doi: 10.1016/j.jcat.2013.07.023

    12. [12]

      Porosoff, M. D.; Yan, B.; Chen, J. G. Energ Environ. Sci. 2016, 9 (1), 62. doi: 10.1039/C5EE02657A

    13. [13]

      Li, J.; Liu, L.; Liu, Y.; Li, M.; Zhu, Y.; Liu, H.; Kou, Y.; Zhang, J.; Han, Y.; Ma, D. Energ Environ. Sci. 2014, 7 (1), 393. doi: 10.1039/C3EE41945B

    14. [14]

      Ma, Y.; Guo, Z.; Jiang, Q.; Wu, K. -H.; Gong, H.; Liu, Y. J. Energy Chem. 2020, 50, 37. doi: 10.1016/j.jechem.2020.03.012

    15. [15]

      Zhang, X.; Zhu, X.; Lin, L.; Yao, S.; Zhang, M.; Liu, X.; Wang, X.; Li, Y. -W.; Shi, C.; Ma, D. ACS Catal. 2016, 7 (1), 912. doi: 10.1021/acscatal.6b02991

    16. [16]

      Li, S.; Cao, R.; Xu, M.; Deng, Y.; Lin, L.; Yao, S.; Liang, X.; Peng, M.; Gao, Z.; Ge, Y. Nat. Sci. Rev. 2021, 9 (1), 2095. doi: 10.1093/nsr/nwab026

    17. [17]

      Lin, L.; Zhou, W.; Gao, R.; Yao, S.; Zhang, X.; Xu, W.; Zheng, S.; Jiang, Z.; Yu, Q.; Li, Y. -W. Nature 2017, 544 (7648), 80. doi: 10.1038/nature21672

    18. [18]

      Ge, Y.; Qin, X.; Li, A.; Deng, Y.; Lin, L.; Zhang, M.; Yu, Q.; Li, S.; Peng, M.; Xu, Y. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (2), 628. doi: 10.1021/jacs.0c11285

    19. [19]

      Fan, X.; Liu, C.; Wu, M.; Gao, B.; Zheng, L.; Zhang, Y.; Zhang, H.; Gao, Q.; Cao, X.; Tang, Y. Appl. Catal. B 2022, 318, 121867. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121867

    20. [20]

      Reddy, K. P.; Dama, S.; Mhamane, N. B.; Ghosalya, M. K.; Raja, T.; Satyanarayana, C. V.; Gopinath, C. S. Dalton Trans. 2019, 48 (32), 12199. doi: 10.1039/C9DT01774G

    21. [21]

      Gao, J.; Wu, Y.; Jia, C.; Zhong, Z.; Gao, F.; Yang, Y.; Liu, B. Catal. Commun. 2016, 84, 147. doi: 10.1016/j.catcom.2016.06.026

    22. [22]

      马丁. 物理化学学报, 2019, 35 (8), 794. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810033Ma, D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (8), 794. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810033

    23. [23]

      Deng, Y.; Ge, Y.; Xu, M.; Yu, Q.; Xiao, D.; Yao, S.; Ma, D. Acc. Chem. Res. 2019, 52 (12), 3372. doi: 10.1021/acs.accounts.9b00182

    24. [24]

      Yao, S.; Zhang, X.; Zhou, W.; Gao, R.; Xu, W.; Ye, Y.; Lin, L.; Wen, X.; Liu, P.; Chen, B. Science 2017, 357 (6349), 389. doi: 10.1126/science.aah4321

    25. [25]

      Lin, L.; Yao, S.; Gao, R.; Liang, X.; Yu, Q.; Deng, Y.; Liu, J.; Peng, M.; Jiang, Z.; Li, S. Nat. Nanotechnol. 2019, 14 (4), 354. doi: 10.1038/s41565-019-0366-5

    26. [26]

      吴凯, 物理化学学报, 2017, 33 (6), 1073. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704122Wu, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33 (6), 1073. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704122

    27. [27]

      Jin, C.; Wang, B.; Zhou, Y.; Yang, F.; Guo, P.; Liu, Z.; Shen, W. Chem. Commun. 2022, 58 (52), 7313. doi: 10.1039/D2CC02478K

    28. [28]

      Guo, Y.; Wang, M.; Zhu, Q.; Xiao, D.; Ma, D. Nat. Catal. 2022, 5 (9), 766. doi: 10.1038/s41929-022-00839-7

    29. [29]

      Chen, X.; Su, X.; Su, H. -Y.; Liu, X.; Miao, S.; Zhao, Y.; Sun, K.; Huang, Y.; Zhang, T. ACS Catal. 2017, 7 (7), 4613. doi: 10.1021/acscatal.7b00903

    30. [30]

      Perumal, S.; Lim, T.; Seenivasan, S.; Seo, J. Appl. Surf. Sci. 2022, 604, 154553. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154553

    31. [31]

      Zhang, Y.; Zhang, Z.; Yang, X.; Wang, R.; Duan, H.; Shen, Z.; Li, L.; Su, Y.; Yang, R.; Zhang, Y. Green Chem. 2020, 22 (20), 6855. doi: 10.1039/D0GC02302G

    32. [32]

      Li, S.; Xu, Y.; Chen, Y.; Li, W.; Lin, L.; Li, M.; Deng, Y.; Wang, X.; Ge, B.; Yang, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (36), 10761. doi: 10.1002/anie.201705002

    33. [33]

      Lin, L.; Yu, Q.; Peng, M.; Li, A.; Yao, S.; Tian, S.; Liu, X.; Li, A.; Jiang, Z.; Gao, R. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (1), 309. doi: 10.1021/jacs.0c10776

    34. [34]

      Zuo, J.; Na, W.; Zhang, P.; Yang, X.; Wen, J.; Zheng, M.; Wang, H. Mol. Catal. 2022, 526, 112357. doi: 10.1016/j.mcat.2022.112357

    35. [35]

      Pahija, E.; Panaritis, C.; Gusarov, S.; Shadbahr, J.; Bensebaa, F.; Patience, G.; Boffito, D. C. ACS Catal. 2022, 12 (12), 6887. doi: 10.1021/acscatal.2c01099

    36. [36]

      Zhang, Q.; Pastor-Pérez, L.; Jin, W.; Gu, S.; Reina, T. R. Appl. Catal. B. 2019, 244, 889. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.12.023

    37. [37]

      Wang, L. -X.; Guan, E.; Wang, Z.; Wang, L.; Gong, Z.; Cui, Y.; Yang, Z.; Wang, C.; Zhang, J.; Meng, X. ACS Catal. 2020, 10 (16), 9261. doi: 10.1021/acscatal.0c00907

    38. [38]

      Xu, J.; Gong, X.; Hu, R.; Liu, Z. -W.; Liu, Z. -T. Mol. Catal. 2021, 516, 111954. doi: 10.1016/j.mcat.2021.111954

    39. [39]

      Ma, Y.; Ren, Y.; Zhou, Y.; Liu, W.; Baaziz, W.; Ersen, O.; Cuong, P.; Greiner, M.; Chu, W.; Wang, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (48), 21613. doi: 10.1002/anie.202007707

    40. [40]

      Gu, F.; Zheng, L.; Wei, H.; Mi, W.; Zhang, C.; Su, Q.; Zhu, W.; Lin, W. Appl. Surf. Sci. 2022, 606, 155008. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155008

    41. [41]

      Tang, Y.; Yang, Z.; Guo, C.; Han, H.; Jiang, Y.; Wang, Z.; Liu, J.; Wu, L.; Wang, F. J. Mater. Chem. A 2022, 10 (22), 12157. doi: 10.1039/D2TA00933A

    42. [42]

      Yang, Q.; Sun, K.; Xu, Y.; Ding, Z.; Hou, R. Appl. Catal. A-Gen. 2022, 630, 118455. doi: 10.1016/j.apcata.2021.118455

    43. [43]

      Chen, J. G. Chem. Rev. 1996, 96 (4), 1477. doi: 10.1021/cr950232u

    44. [44]

      Xia, Z.; Zhang, H.; Shen, K.; Qu, Y.; Jiang, Z. Phys. B Condens. Matter. 2018, 542, 12. doi: 10.1016/j.physb.2018.04.039

    45. [45]

      Ravel, B.; Newville, M. J. Synchrot. Radiat. 2005, 12 (4), 537. doi: 10.1107/S0909049505012719

    46. [46]

      Wang, S. -G.; Liao, X. -Y.; Cao, D. -B.; Huo, C. -F.; Li, Y. -W.; Wang, J.; Jiao, H. J. Phys. Chem. 2007, 111 (45), 16934. doi: 10.1021/jp074570y

    47. [47]

      Liu, H. -X.; Li, J. -Y.; Qin, X.; Ma, C.; Wang, W. -W.; Xu, K.; Yan, H.; Xiao, D.; Jia, C. -J.; Fu, Q. Nat. Commun. 2022, 13 (1), 5800. doi: 10.1038/s41467-022-33308-7

    48. [48]

      Alvarez-Galvan, C.; Lustemberg, P. G.; Oropeza, F. E.; Bachiller-Baeza, B.; Dapena Ospina, M.; Herranz, M.; Cebollada, J.; Collado, L.; Campos-Martin, J. M.; de la Peña-O'Shea, V. A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (45), 50739. doi: 10.1021/acsami.2c11248

    49. [49]

      Zhang, Y.; Liang, L.; Chen, Z.; Wen, J.; Zhong, W.; Zou, S.; Fu, M.; Chen, L.; Ye, D. Appl. Surf. Sci. 2020, 516, 146035. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146035

    50. [50]

      Zhang, X.; Liu, Y.; Zhang, M.; Yu, T.; Chen, B.; Xu, Y.; Crocker, M.; Zhu, X.; Zhu, Y.; Wang, R. Chem 2020, 6 (12), 3312. doi: 10.1016/j.chempr.2020.09.016

    51. [51]

      Xu, D.; Ding, M.; Hong, X.; Liu, G. ACS Catal. 2020, 10 (24), 14516. doi: 10.1021/acscatal.0c03575

    52. [52]

      Zheng, H.; Liao, W.; Ding, J.; Xu, F.; Jia, A.; Huang, W.; Zhang, Z. ACS Catal. 2022, 12 (24), 15451. doi: 10.1021/acscatal.2c04437

    53. [53]

      Bobadilla, L. F.; Santos, J. L.; Ivanova, S.; Odriozola, J. A.; Urakawa, A. ACS Catal. 2018, 8 (8), 7455. doi: 10.1021/acscatal.8b02121

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  4144
  • HTML全文浏览量:  92
文章相关
  • 发布日期:  2023-11-15
  • 收稿日期:  2023-02-14
  • 接受日期:  2023-03-21
  • 修回日期:  2023-03-20
  • 网络出版日期:  2023-03-24
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章