Cu基催化剂表面改性及其催化二氧化碳加氢制甲醇性能研究

作     者：杨强 王刚 李春山 

作者机构：中国科学院大学 惠州市绿色能源与新材料研究院 中国科学院成都有机化学研究所 中国科学院过程工程研究所介科学与工程全国重点实验室绿色过程与工程国家重点实验室离子液体清洁过程北京市重点实验室 

出 版 物：《过程工程学报》 (The Chinese Journal of Process Engineering)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家重点研发专项(编号：2020YFA0710202) 国家杰出青年自然科学基金项目(编号：22025803) 

主　　题：Cu基催化剂 金属-载体相互作用 甲醇合成 表面改性 反应机理 

摘      要：开发CO2加氢制甲醇高效Cu基催化剂对循环利用该温室气体具有重要意义。通过共沉淀—后浸渍法制备了系列助剂(Mn,In,Mo,Mg,Zr)改性的Cu/ZnO/Al2O3(CZA)催化剂，并用固定床反应器评价了其二氧化碳加氢制甲醇催化性能。采用CO2-TPD、XRD、XPS和H2-TPR研究了金属改性助剂对CZA物理化学性质的影响。此外，通过原位红外表征揭示了CO2加氢制甲醇反应机理。结果表明，Mn改性CZA催化剂具有良好的还原性能、优异的CO2吸附能力和适宜的Cu+/Cu0比，恰当的Cu+/Cu0比例促进甲氧基的稳定与转化，从而产生更多的甲醇。金属改性有助于增强铜与载体的相互作用，促进催化剂还原，抑制活性铜组分聚集。与未经处理的CZA催化剂相比，Mn改性催化剂表面具有更多中强碱性位点，有助于吸附更多的CO2，进一步加氢形成甲酸盐、甲氧基等中间体。CZA和改性CZA上CO2加氢生成甲醇反应机理遵循甲酸盐途径，甲氧基是关键中间体。Mn改性CZA催化剂由于较强的金属-载体相互作用，催化剂表面Cu纳米颗粒解离H2能力得到提高，载体中存在的间隙H有助于甲酸盐物种的产生，消耗的间隙H由表面Cu纳米颗粒解离出的H原子补充。改性催化剂中的间隙H存在和解离H2能力提升加速了中间物种的形成与转化，促进甲醇的生成。