建设成效

化学化工学院代斌教授、于锋教授等在二氧化碳捕获与催化转化方面取得了一系列创新性研究成果

崛步石研 2022-08-30 18:38

在“碳达峰，碳中和”明确目标下，要实现我国3060双碳目标，必须采取强有力的措施减少温室气体CO₂排放。目前，CO₂减排技术主要有碳捕集封存和碳高值化转化利用技术两大类。其中，CO/CO₂甲烷化反应是制备人造天然气（SNG）的一种有效途径，对于煤炭的清洁利用和温室气体CO₂的转化与利用都具有非常重要的意义。合成的天然气可作为过渡能源为建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系提供强有力的保障。通常，热催化甲烷化反应催化剂在高温下会引起活性组份的烧结和积碳而导致催化的失活，影响催化剂的使用寿命。因此，找到一种提升低温甲烷化性能、降低设备要求、增加催化稳定性的催化方式成为大家竞相研究的重点和热点。

近期，石河子大学化学化工学院碳中和与环境催化技术研究团队在二氧化碳捕获与催化转化方面取得了一系列创新性研究成果，连续在国际著名期刊上发表相关论文，石河子大学均为第一完成单位，并得到了国家自然科学基金（22068034）和兵团创新团队（2020CB006）的资助支持。

该团队探讨了Ru/TiO₂光辅助催化CO₂甲烷化反应机理与催化性能。研究发现，在200℃和250℃下，光辅助催化甲烷化的CO₂转化率比热催化反应分别高四倍和两倍，并且表现出了良好的催化稳定性。原位红外测试和理论计算表明，Ru原子的空d轨道可以接受光激发TiO₂产生的电子，并且光的加入使电子的运动活跃，促进电子的转移和输运。相比于RuO₂/TiO₂催化剂，Ru/TiO₂在光热催化反应下，甲酸盐路径和CO路径共存，载流子促进了碳酸氢盐向甲酸盐物种的转变，增强了中间物种CO对富电子Ru金属位点的吸附。该工作通过探讨光热甲烷化的反应机理和催化性能，发现光照可以有效增强CO₂甲烷化反应的低温活性，降低反应的活化能，为光热催化CO₂甲烷化等催化反应提供了一条新的思路。

该工作以“Experimental and theoretical insights into an enhanced CO₂ methanation mechanism over a Ru-based catalyst”为题，在国际期刊《Applied Catalysis B: Environmental》（中科院1区，JCR1区，TOP期刊，影响因子19.503，online，https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121903）上发表，论文的第一作者为石河子大学化学化工学院硕士研究生李洋洋、硕士研究生刘志松和和西南石油大学博士研究生饶志强，通讯作者为石河子大学代斌教授、于锋教授和西南石油大学黄泽皑博士。

在非贵金属光热催化剂方面，该团队设计了一种负载型Ni/TiO2催化剂用于光热CO/CO2甲烷化反应，合成的光热催化剂Ni/TiO2在光照下能显著提高低温CO/CO2的转化率和CH4的选择性。催化剂表面的光生电子增强了中间物种的生成，促进了反应物气体的吸附和活化，降低了反应所需的活化能垒，最终提升了CO/CO2甲烷化反应的性能。Ni/TiO2催化剂在300℃光热条件下的CO和CO2转化率分别为94%和76%，明显高于热催化条件下的89%和24%。XPS分析和原位红外数据表明，光照情况下，催化剂表面发生了电荷转移，镍原子上的负电荷密度增加，促进了CO甲烷化过程中甲酸盐物种的生成，形成的CO2δ−物种促进了CO2的活化。DFT计算证实了在光照情况下，电子从Ni/TiO2的价带转移到导带，催化剂表面的电子密度增加，反应的能垒降低，促进了甲烷化反应的进行。本研究为解决镍基催化剂存在的问题提供了一种实用的方法，也为今后的CO/CO2光热甲烷化反应机理分析提供了一定的思路。

该工作以“Photo-assisted CO/CO2 methanation over Ni/TiO2 catalyst: experiment and density functional theory calculation”为题，作为封面文章，在国际期刊《ChemCatChem》（国际催化化学领域的权威期刊，https://doi.org/10.1002/cctc.202200182）上发表。该论文的第一作者为石河子大学化学化工学院硕士研究生李洋洋，通讯作者为石河子大学代斌教授、于锋教授和西南石油大学周莹教授。

在CO2吸收材料方面，该团队采用一种双流受限射流冲击连续微通道反应器（CJI-CMR）成功制备了具有超高比表面积的介孔二氧化硅纳米球（UH-MSNs），得到的UH-MSNs平均粒径为142~207 nm，比表面积为1347~1854 m2/g，总孔体积为0.86~1.23 cm3/g，孔径为2.6~3.3 nm。同时，采用MesoDyn 模拟并优化了UH-MSNs的成核阶段和结晶阶段。研究发现，采用UH-MSNs作为硅源制备的Li4SiO4 微球在600-650℃表现出了优异的CO2捕获能力，具有良好的实际应用前景。

该工作以“Confined Jet Impingement Continuous Microchannel Reactor Synthesis of Ultrahigh-Quality Mesoporous Silica Nanospheres for CO2 Capture”为题，在国际期刊Industrial & Engineering Chemistry Research（化工三大顶级学术期刊之一，https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c00947）上发表。论文第一作者化学化工学院硕士研究生陈强和高级实验师陈凯，通讯作者石河子大学代斌教授、于锋教授和华东理工大学郭旭虹教授。

化学化工学院碳中和与环境催化技术研究团队，主要致力于开发绿色、环保、高效的环境净化材料，从事的主要工作包含：环境吸附和催化材料的设计合成、结构与性质表征、形成机理、性能评价与应用研究；具有复杂层级结构的无机材料的仿生合成、结构与性质表征、形成机理及生态学应用；难降解污染物的催化降解机理研究。其特色是将环境化学与材料化学、催化化学相结合，推动污染物吸附催化降解理论的发展，同时也为污染控制技术发展提供必要的理论和技术支持。特别是：

（1）二氧化碳（CO2）的捕集、转化与利用；

（2）污染性小分子（CO、NOx、SO2、VOC、dye等）的去除与清洁转化；

（3）含氢小分子（MeOH、H2、NH3、CH4等）的催化合成工艺与技术；

（4）催化剂活性位点（界面调控、表面缺陷等）的构筑；

（5）催化环境（光、热、电、等离子体等）的作用机制研究。