Methanol Synthesis by COx Hydrogenation over Cu/ZnO/Al2O3 Catalyst via Hydrotalcite-Like Precursors: the Role of CO in the Reactant Mixture

Ying Liu Xiaofang Liu Lin Xia Chaojie Huang Zhaoxuan Wu Hui Wang Yuhan Sun

Citation:  Ying Liu, Xiaofang Liu, Lin Xia, Chaojie Huang, Zhaoxuan Wu, Hui Wang, Yuhan Sun. Methanol Synthesis by COx Hydrogenation over Cu/ZnO/Al2O3 Catalyst via Hydrotalcite-Like Precursors: the Role of CO in the Reactant Mixture[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(3): 200201. doi: 10.3866/PKU.WHXB202002017 shu

以类水滑石为前驱体的Cu/ZnO/Al2O3催化剂用于COx加氢合成甲醇:CO在反应混合物中的作用

    通讯作者: 王慧, wanghh@sari.ac.cn
    孙予罕, sunyh@sari.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21776296

    国家自然科学基金 21905291

    国家重点研发计划 2017YFB0602203

    中国科学院战略性先导科技项目 XDA21090201

    中国科学院 ZDRW-ZS-2018-1-3

    上海市扬帆计划 19YF1453000

摘要: 近年来,催化CO2加氢合成甲醇被视为有望解决温室效应和燃料枯竭的有效途径。目前,铜基催化剂因具有较高的反应活性被广泛应用于工业生产。然而,竞争逆水煤气变换反应产生的CO导致甲醇选择性较低,同时副产物水引起Cu发生不可逆烧结,进而降低甲醇产率。众所周知,CO能够调整分子的表面竞争吸附和活性位的氧化还原行为,本工作拟向原料气中掺入具有还原性的CO以抑制逆水煤气变换反应和防止表面氧化中毒。另一方面,通常认为铜基催化的CO2加氢制甲醇是结构敏感性反应,不同的前驱体能够显著影响催化剂结构和形貌,进而影响催化活性。因此,我们首先通过共沉淀法和蒸氨法制备了含有类水滑石前驱体(CHT-CZA)和复合物前驱体(CNP-CZA)结构的Cu/ZnO/Al2O3催化剂。随后,为探究CO掺杂后反应机理,在250 ℃,5 MPa的反应条件下,含有不同比例CO的原料气中(CO2:CO:H2:N2 = x:(24.5 - x):72.5:3)评价两种催化剂对甲醇合成的性能。评价结果显示两种催化剂反应性能趋势相同,随着CO含量增加,CO2转化率和STYH2O不断降低,STYMeOH逐渐增加。X射线光谱(XPS)显示随CO含量增加,催化剂表面还原性Cu比例增加。评价和表征结果说明CO引入抑制了逆水煤气变换反应的发生,通过还原被H2O氧化的活性Cu表面,促使更多的活性Cu位点暴露参与甲醇合成。另一方面,透射电镜(TEM)显示掺杂的CO会过度还原而引起颗粒团聚,导致催化剂逐渐失活。相比之下,含有水滑石前驱体的催化剂在任何气氛下均表现出更加优越的反应性能和长周期稳定性。这可归因于类水滑石前驱体独特的片层结构通过结构限域作用有效避免了因CO过度还原而导致的金属颗粒团聚,从而减少活性位点损失。

English

    1. [1]

      Song, C. S. Catal. Today 2017, 115, 2. doi: 10.1016/j.cattod.2006.02.029

    2. [2]

      Aas, N.; Li, Y. X.; Bowker, M. Phys. Condes. Matter 1991, 3, S281. doi: 10.1088/0953-8984/3/S/044

    3. [3]

      Choi, E. J.; Lee, Y. H.; Lee, D. W.; Moon, D. J.; Lee, K. Y. Mol. Catal. 2017, 434, 146. doi: 10.1016/j.mcat.2017.02.005

    4. [4]

      Ortelli, E. E.; Wambach. J.; Wokaun, A. Appl. Catal. A: Gen. 2001, 216, 227. doi: 10.1016/s0926-860x(01)00569-5

    5. [5]

      Liu, X. M; Lu, G. Q. Ind. Eng. Chem. Res. 2003, 42, 6518. doi: 10.1021/ie020979s

    6. [6]

      Olah, G, A. Appl. Catal. A: Gen. 2005, 44, 2636. doi: 10.1002/anie.200462121

    7. [7]

      Melián-Cabrera, I.; Granados, M. L.; Fierro, J. L. G. Catal. Lett. 2002, 79, 165. doi: 10.1023/A:1015316610657

    8. [8]

      Jadhav, S. G.; Vaidya, P. D.; Bhanage, B. M.; Joshi, J. B. Chem. Eng. Res. Des. 2014, 92, 2557. doi: 10.1016/j.cherd.2014.03.005

    9. [9]

      Gao, P.; Li, F.; Xiao, F. K.; Zhao, N.; Sun, N. N.; Wei, W.; Zhong, L. S.; Sun, Y. H. Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 1447. doi: 10.1039/C2CY00481J

    10. [10]

      Alejandre, A.; Medina, F.; Rodriguez, X.; Salagre, P.; Sueiras, J. E. J. Catal. 1999, 188, 311. doi: 10.1006/jcat.1999.2625

    11. [11]

      Bhattacharyya, A.; Chang, V. W.; Schumacher, D. J. Appl. Clay Sci. 1998, 13, 317. doi: 10.1016/S0169-1317(98)00030-1

    12. [12]

      Cavani, F.; Trifiro, F.; Vaccari, A. Catal. Today 1991, 11, 173. doi: 10.1016/0920-5861(91)80068-K

    13. [13]

      Climent, M. J.; Corma, A.; Iborra, S.; Primo, J. J. Catal. 1995, 151, 60. doi: 10.1006/jcat.1995.1008

    14. [14]

      Constantino, V. R. L.; Pinnavaia, T. J. Inorg. Chem. 1995, 34, 883. doi: 10.1021/ic00108a020

    15. [15]

      Corma, A.; Fornes, V.; Martinaranda, R. M.; Rey, F. J. Catal. 1992, 134, 58. doi: 10.1016/0021-9517(92)90209-Z

    16. [16]

      Fornasari, G.; Gazzano, M.; Matteuzzi, D.; Trifiro, F. Appl. Clay Sci. 1995, 10, 69. doi: 10.1016/0169-1317(95)00022-V

    17. [17]

      高鹏, 李枫, 赵宁, 王慧, 魏伟, 孙予罕. 物理化学学报, 2014, 30, 1155. doi: 10.3866/PKU.WHXB201401252Gao, P.; Li, F.; Zhao, N.; Wang, H.; Wei, W.; Sun, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 1155. doi: 10.3866/PKU.WHXB201401252

    18. [18]

      Gao, P.; Li, F.; Xiao, F. K.; Zhao, N.; Wei, W.; Zhong, L. S.; Sun, Y. H. Catal. Today 2012, 194, 9. doi: 10.1016/j.cattod.2012.06.012

    19. [19]

      Gao, P.; Li, F.; Zhan, H. J.; Zhao, N.; Xiao, F. K.; Wei, W.; Zhong, L. S.; Wang, H.; Sun, Y. H. J. Catal. 2013, 298, 51. doi: 10.1016/j.jcat.2012.10.030

    20. [20]

      Gao, P.; Li, F.; Zhan, H. J.; Zhao, N.; Xiao, F. K.; Wei, W.; Zhong, L. S.; Sun, Y. H. Catal. Commun. 2014, 50, 78. doi: 10.1016/j.catcom.2014.03.006

    21. [21]

      Gao, P.; Li, F.; Zhao, N.; Xiao, F. K.; Wei, W.; Zhong, L. S.; Sun, Y. H. Appl. Catal. A: Gen. 2013, 468, 442. doi: 10.1016/j.apcata.2013.09.026

    22. [22]

      Gao, P.; Zhong, L. S.; Zhang, L. N.; Wang, H.; Zhao, N.; Wei, W.; Sun, Y. H. Catal. Sci. Technol. 2015, 5, 4365. doi: 10.1039/C5CY00372E

    23. [23]

      Sahibzada, M.; Metcalfe, I. S.; Chadwick, D. J. Catal. 1998, 174, 111. doi: 10.1006/jcat.1998.1964

    24. [24]

      Lee, J. S.; Lee, K. H.; Lee, S. Y. J. Catal. 1993, 144, 414. doi: 10.1006/jcat.1993.1342

    25. [25]

      Yuan, Z.; Wang, L.; Wang, J.; Xia, S.; Chen, P.; Hou, Z.; Zheng, X. Appl. Catal. B: Environ. 2011, 101, 431. doi: 10.1016/j.apcatb.2010.10.013

    26. [26]

      Evans, J. W.; Wainwright, M. S.; Bridgewater, A. J.; Young, D. J. Appl. Catal. 1983, 7, 75. doi: 10.1016/0166-9834(83)80239-5

    27. [27]

      Cheng, J.; Wang, X.; Yu, J.; Hao, Z.; Xu, Z. P. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6651. doi: 10.1021/jp112031e

    28. [28]

      Xiao, S.; Zhang, Y. F.; Gao, P.; Zhong, L. S.; Li, X. P.; Zhang, Z. Z.; Wang, H.; Wei, W.; Sun, Y. H. Catal. Today 2017, 281, 327. doi: 10.1016/j.cattod.2016.02.004

    29. [29]

      廖珮懿, 张辰, 张丽君, 杨彦章, 钟良枢, 郭晓亚, 王慧, 孙予罕. 物理化学学报, 2017, 33, 1672. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704143Liao, P. Y.; Zhang, C.; Zhang, L. J.; Yang, Y. Z.; Zhong, L. S.; Guo, X. Y.; Wang, H.; Sun, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1672. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704143

    30. [30]

      Velu, S.; Sabde, D. P.; Shah, N.; Sivasanker, S. Chem. Mater. 1998, 10, 3451. doi: 10.1021/cm980185x

    31. [31]

      Zhang, C.; Yang, H. Y.; Gao, P.; Zhu, H.; Zhong, L. S.; Wang, H.; Wei, W.; Sun, Y. H. J. CO2 Util. 2017, 17, 263. doi: 10.1016/j.jcou.2016.11.015

    32. [32]

      Guo, X.; Mao, D.; Lu, G.; Wang, S.; Wu, G. J. Catal. 2010, 271, 178. doi: 10.1016/j.jcat.2010.01.009

    33. [33]

      Zhang, L. H.; Li, F.; Evans, D. G.; Duan, X. Mater. Chem. Phys. 2004, 87, 402. doi: 10.1016/j.matchemphys.2004.06.010

    34. [34]

      Kuhl, S.; Tarasov, A.; Zander, S.; Kasatkin, I.; Behrens, M. Chem. Eur. J. 2014, 20, 3782. doi: 10.1002/chem.201302599

    35. [35]

      Wu, G. D.; Wang, X. L.; Wei, W.; Sun, Y. H. Appl. Catal. A: Gen. 2010, 377, 107. doi: 10.1016/j.apcata.2010.01.023

    36. [36]

      Di Cosimo, J. I.; Diez, V. K.; Xu, M.; Iglesia, E.; Apesteguia, C. R. J. Catal. 1998, 178, 499. doi: 10.1006/jcat.1998.2161

    37. [37]

      Klier, K.; Chatikavanij, V.; Herman, R. G.; Simmons, G. W. J. Catal. 1982, 74, 343. doi: 10.1016/0021-9517(82)90040-9

    38. [38]

      Burch, R.; Golunski, S. E.; Spencer, M. S. Catal. Lett. 1990, 5, 55. doi: 10.1007/BF00772093

    39. [39]

      Fujitani, T.; Saito, M.; Kanai, Y.; Kakumoto, T.; Watanabe, T.; Nakamura, J.; Uchijima, T. Catal. Lett. 1994, 25, 271. doi: 10.1007/BF00816307

    40. [40]

      Yang, C.; Ma, Z.Y.; Zhao, N.; Wei, W.; Hu, T. D.; Sun, Y. H. Catal. Today 2006, 115, 222. doi: 10.1016/j.cattod.2006.02.077

    41. [41]

      Chinchen, G. C.; Denny, P. J.; Parker, D. G.; Spencer, M. S.; Whan, D. A. Appl. Catal. 1987, 30, 333. doi: 10.1016/S0166-9834(00)84123-8

    42. [42]

      Chinchen, G. C.; Waugh, K. C. J. Catal. 1986, 97, 280. doi: 10.1016/0021-9517(86)90063-1

    43. [43]

      Chinchen, G. C.; Waugh, K. C.; Whan, D. A. Appl. Catal. 1986, 25, 101. doi: 10.1016/S0166-9834(00)81226-9

    44. [44]

      Sun, J. T.; Metcalfe, I. S.; Sahibzada, M. Ind. Eng. Chem. Res. 1999, 38, 3868. doi: 10.1021/ie990078s

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  27
  • 文章访问数:  1079
  • HTML全文浏览量:  48
文章相关
  • 发布日期:  2022-03-15
  • 收稿日期:  2020-02-17
  • 接受日期:  2020-03-27
  • 修回日期:  2020-03-13
  • 网络出版日期:  2020-03-31
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