研究發(fā)現(xiàn)解耦氫氣活化和二氧化碳吸附的新現(xiàn)象

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員傅強(qiáng)和研究員慕仁濤團(tuán)隊(duì)在氧化物-氧化物界面催化研究中取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)鉻酸鋅（ZnCr₂O₄）尖晶石表面限域的單分散氧化鋅（ZnO_x）蓋層，可以解耦二氧化碳與氫氣的競爭活化過程，并有效解決了氧化物表面二氧化碳強(qiáng)吸附毒化氫氣活化的難題，實(shí)現(xiàn)了高效催化加氫反應(yīng)。相關(guān)成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》。

高效催化加氫反應(yīng)示意圖。大連化物所供圖

金屬氧化物在涉氫催化反應(yīng)中具有重要作用，對其表界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控是提高氧化物催化涉氫反應(yīng)性能的關(guān)鍵。該團(tuán)隊(duì)在前期的研究中通過構(gòu)筑氧化物表界面活性中心調(diào)控氫氣活化，特別利用了氧化物與氧化物之間的界面限域效應(yīng)，有效增強(qiáng)催化加氫反應(yīng)的選擇性和穩(wěn)定性。

本工作中，研究人員通過氣相遷移法在ZnCr₂O₄表面形成了單分散ZnO_x蓋層結(jié)構(gòu)，制備出ZnCr₂O₄@ZnO_x催化劑。原位紅外等表征結(jié)果證實(shí)，在二氧化碳共存的條件下，ZnCr₂O₄@ZnO_x能夠通過均裂活化氫氣形成Zn?H。研究發(fā)現(xiàn)，ZnCr₂O₄@ZnO_x催化劑中ZnCr₂O₄表面和ZnO_x/ZnCr₂O₄界面提供二氧化碳吸附位點(diǎn)，而單分散ZnO_x蓋層則提供氫氣的均裂活化位點(diǎn)并形成穩(wěn)定的Zn–H物種，這種雙位點(diǎn)設(shè)計(jì)有效解決了二氧化碳強(qiáng)吸附抑制氫氣活化的問題。

在723 K反應(yīng)條件下，ZnCr₂O₄@ZnO_x催化劑展現(xiàn)出33%的二氧化碳轉(zhuǎn)化率和100%的一氧化碳選擇性，并穩(wěn)定運(yùn)行超過150小時(shí)。