0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

催化剂分离和循环利用问题

鸿之微 来源:鸿之微 2023-05-23 11:33 次阅读

烯烃是现代化工生产高附加值化学品的重要原料。生产烯烃最直接的方法就是通过烷烃直接脱氢生成烯烃。在近30年里,以Ir钳形配合物为催化剂的转移脱氢反应和无受体脱氢反应取得重大进展。但是,受限于热稳定性,Ir钳形配合物在轻微苛刻的反应条件下就会分解,导致催化剂失活。同时,催化剂分离和循环利用问题也限制了均相催化剂的发展。因此,设计热稳定、高活性的单位点Ir脱氢催化剂仍然是一项挑战。

近日,中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心刘洪阳研究员和博士研究生陈晓雯与北京大学马丁教授、香港科技大学王宁教授、蔡祥滨博士以及中科院山西煤化所温晓东研究员等团队合作,在富缺陷石墨烯表面精准构建原子级分散Ir1单原子催化剂,实现其高效催化丁烷脱氢制烯烃,并在亚纳米尺度下系统理解烷烃脱氢对金属结构的依懒性与金属组分的依懒性。

在本研究工作中,研究团队在富缺陷石墨烯表面精准构建了Ir1单原子催化剂,并通过球差电镜、原位CO-DRIFTS实验和X射线吸收谱(图1)进行系统表征,证明Ir1原子级分散的结构。在丁烷脱氢性能测试中,系统比较了Ir1单原子、Ir13团簇和Ir纳米颗粒之间催化丁烷脱氢性能的差异。催化性能测试结果和密度泛函理论(DFT)计算结果均显示,Ir1单原子相较于Ir13团簇和Ir纳米颗粒,具有最高的脱氢活性(TOF值)、丁烯选择性和稳定性(图2)。同时,研究团队发现在亚纳米尺度下丁烷脱氢反应的决速步与Ir活性中心的结构有关,当金属结构从Ir13团簇向Ir1单原子演变时,结构配位饱和程度增加,活性位点吸附丁烷分子能力减弱,反应决速步由丁烯脱附向C-H键活化移动,说明烷烃脱氢的决速步具有金属结构依懒性。Ir1单原子相较于Ir13团簇具有适中的吸附能力,不仅能够促进丁烯脱附,还具有充足的C-H键活化能力。因此Ir单原子比Ir13团簇具有更高的丁烯选择性和抗积碳能力。

52069c8a-f893-11ed-90ce-dac502259ad0.png图1. 催化剂结构表征。a X射线衍射谱, b Ir1/ND@G的原位CO- DRIFTS, c Irn/ND@G的原位CO-DRIFTS, d EXAFS谱图, e WT分析, f Ir1@Gr模型示意图。  

520e1988-f893-11ed-90ce-dac502259ad0.png图2. a 催化剂丁烷脱氢催化活性, b 不同结构TOF与失活速率常数kd关系, c Ir1@Gr、Ir13@Gr和Ir(111)结构模型上丁烷脱氢能量变化曲线。

在前期研究成果中研究团队发现原子级分散的Pt和Pd也具有一定的烷烃脱氢活性。因此,研究团队以Ir、Pt、Pd三种单原子为研究对象,构建亚纳米尺度下金属组分与丁烷直接脱氢性能之间的关系,从原子层面上理解烷烃脱氢性能的金属组分依懒性。结合丁烷脱氢性能测试和密度泛函理论(DFT)计算结果,发现在同一单原子结构下,反应决速步均为C-H键活化,由于Ir1单原子具有更强的吸附能力,相较于Pt、Pd单原子,可以有效的促进C-H键的活化,展现更高的丁烷脱氢活性,在450℃下的低温丁烷脱氢反应中,具有优异的丁烷脱氢速率(8.8 mol/(gIr·h))和烯烃选择性(99.3%)(图3)。因此,在同一金属结构下,烷烃脱氢反应的催化性能具有金属组分依懒性。

52196a90-f893-11ed-90ce-dac502259ad0.png图3. a 催化剂丁烷脱氢催化活性, b不同金属组分TOF和丁烯选择性的关系, c Ir1@Gr、Pt1@Gr和Pd1@Gr结构模型上丁烷脱氢能量变化曲线。  

由金属组分依懒性可知,亚纳米尺度Pt单原子受限于自身配位趋近饱和,吸附烷烃分子的能力较弱。因此,需要通过提高Pt位点吸附能力来提升C-H键活化能力。研究团队通过构建不饱和配位程度更高的Pt3团簇(d带中心更接近费米能级),使Pt3团簇结构更有利于反应物和中间体的吸附,降低过渡态能量,因此Pt3团簇比Pt1单原子脱氢活性更强(Nat. Commun. 2021, 12, 2664)。但是,发现当进一步提升Ir1单原子的吸附能力时,Ir13团簇的d带中心的确更接近费米能级,但过强的吸附能力却不利于丁烯脱附,反应决速步由C-H键活性向丁烯脱附移动,反而导致选择性下降、快速积碳等问题。因此,一种高性能烷烃脱氢催化剂并不单单由高活性的几何结构决定,同时金属活性组分决定的适中吸附能力也是催化剂高性能的重要保证(图4)。

522faff8-f893-11ed-90ce-dac502259ad0.png图4. a Ir、Pt和Pd原子d轨道DOS曲线, b 金属结构依赖性和金属组分依赖性示意图。  

该工作中对金属结构依懒性与组分依赖性的研究,为未来设计高活性、高稳定性的工业脱氢催化剂提供新的思路。感谢科技部重点研发计划催化专项、氢能专项、基金委重大研究计划集成项目、基金委企业联合基金重点项目、基金委国际合作中港联合基金、中科院建制化项目、国研中心青年人才项目与中石化、中化等企业合作项目提供的支持,以及上海同步辐射光源、北京同步辐射光源的大力支持。

审核编辑:彭静
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 光源
    +关注

    关注

    3

    文章

    703

    浏览量

    67769
  • 纳米
    +关注

    关注

    2

    文章

    696

    浏览量

    36982
  • 催化剂
    +关注

    关注

    0

    文章

    92

    浏览量

    10295

原文标题:文章转载|金属所《Nature Commun》:亚纳米尺度原子级分散Ir高效催化丁烷脱氢

文章出处:【微信号:hzwtech,微信公众号:鸿之微】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    碱性醇类燃料电池新型催化剂的研究

    碳粉上的Pt和Pt-CeO2催化剂对四种醇的电化学氧化具有较高的活性。而Pt-CeO2/C催化剂与Pt/C催化剂相比表现了更好的活性和更强的抗毒化能力。
    发表于 03-11 12:31

    燃料电池氧电极催化剂的研究

    燃料电池是直接将化学能转化为电能的发电装置,是清洁、高效的新能源。燃料电池催化剂是燃料电池的重要组成部分,它在很大程度上影响燃料电池的性能。氧电极催化剂催化活性直接影响到电池的过电位、交换电流
    发表于 03-11 12:46

    AMD显卡催化剂控制中心程序

    AMD 显卡催化剂控制中心程序 安装程序
    发表于 10-08 12:07 39次下载

    MIT公司推进锂-空气电池的催化剂开发

    MIT公司推进锂-空气电池的催化剂开发  麻省理工学院的研究团队于2010年4月2日宣布,发现:金碳(Au/C)和铂碳(Pt / C)催化剂对可充
    发表于 04-07 08:46 890次阅读

    Nature:助力燃料电池催化剂

    Nature:助力燃料电池催化剂! 最近,上海交通大学材料科学与工程学院邓涛团队的邬剑波研究小组在燃料电池纳米电催化剂的原位液相腐蚀研究上取得重要进展。
    的头像 发表于 09-15 00:53 5901次阅读

    高活性生物质碳负载Fe/Pt单原子双功能催化剂开发

    单原子催化剂因其具有最大的原子利用效率、量子尺寸效应和活性中心的配位不饱和构型而在催化领域受到广泛关注。在过去的几年里,单原子催化剂在燃料电池、电解水和金属-空气电池等可再生能源威廉希尔官方网站 领
    的头像 发表于 02-12 09:19 2769次阅读
    高活性生物质碳负载Fe/Pt单原子双功能<b class='flag-5'>催化剂</b>开发

    氧气还原反应催化剂的制作及性能研究

    氧气还原反应催化剂的制作及性能研究
    发表于 08-09 09:34 1次下载

    低结晶和异质结构AuPt-Ru@CNT像高效多功能电催化剂

    催化剂催化活性强烈依赖于催化剂的结构探索它们之间的相互关系和高性能催化剂的结构控制合成一直是研究的热点中央。目前,铂(Pt)是析氢反应(HER)、氧气的最佳
    发表于 05-31 16:01 0次下载

    生成CO的催化剂与Cu之间的相互作用

    南方科技大学顾均等人对目前已报道的串联CO2RR催化剂中CO传质行为进行了合理分析和总结。首先,作者讨论了生成CO的催化剂与Cu之间的相互作用,包括:①串联催化剂如何打破线性比例关系;
    的头像 发表于 08-22 10:46 2362次阅读

    应变效应对催化剂活性的影响

    单原子催化剂(SACs)结合了均相催化剂的高活性和非均相催化剂的稳定性,在各种反应中都有很大的潜力,包括析氢(HERs)和析氧(OERs)反应。
    的头像 发表于 10-26 16:37 2205次阅读

    “纳米岛”型催化剂突破传统催化剂活性和稳定性的矛盾

    在多相催化中,原子级分散的金属催化剂具有独特的几何和电子特性、最高的原子利用效率和均匀的活性位点而备受关注。然而,高度分散的金属原子或因高表面能而移动团聚,致使稳定性差;或与载体作用过强而固定不动
    的头像 发表于 11-18 09:54 790次阅读

    如何提高HEAs催化剂催化活性和优选设计研究

    当今世界面临着能源需求增长与遏制全球变暖两大挑战,因而需要开发化石燃料的替代品。其中,基于氧还原反应(ORR)的氢燃料电池扮演了重要角色。但ORR的动力学缓慢,必须引入催化。常用催化剂(如Pt)成本
    的头像 发表于 12-14 10:50 1016次阅读

    双原子催化剂综述:适用于能源和环境催化的双原子催化剂

    原子级分散催化剂具有最大的原子利用率,并且拥有超越传统纳米颗粒的优异性能。
    的头像 发表于 07-17 09:11 6718次阅读
    双原子<b class='flag-5'>催化剂</b>综述:适用于能源和环境<b class='flag-5'>催化</b>的双原子<b class='flag-5'>催化剂</b>

    催化剂利用率提高237倍!首次电化学生长超低负载铂纳米片超薄电极

    为实现低成本的质子交换膜电解槽(PEMECs)绿氢生产,迫切需要具有极低催化剂负载量、高催化剂利用率和易于制造的纳米结构催化剂集成电极。
    的头像 发表于 10-11 16:11 1202次阅读
    <b class='flag-5'>催化剂</b><b class='flag-5'>利用</b>率提高237倍!首次电化学生长超低负载铂纳米片超薄电极

    网关助力催化剂产业升级,解决痛点问题!

    催化剂作为影响化学反应的重要媒介,在全球各行各业广泛使用。除了传统的石油化工领域,催化剂在清洁能源开发、环境保护等新兴领域也起到了关键作用。明达威廉希尔官方网站 针对这一现状,自主研发新一代Mbox边缘计算网关助力催化剂产业升级!
    的头像 发表于 08-14 17:02 256次阅读
    网关助力<b class='flag-5'>催化剂</b>产业升级,解决痛点问题!