北京大学马丁&王蒙团队:阳光供能的光热反应用以CO2高效加氢制备甲醇

文摘   2024-11-09 13:02   中国  

北京大学的马丁&王蒙团队利用“气相原料输入/液相产物流出”概念(LOGIC),聚焦阳光加热催化剂床层进行CO2加氢反应,通过反应装置下层进行温度控制,使反应中产生的甲醇在反应器底部冷凝,在无需额外能量输入的情况下,CO2转化率高达98%,甲醇选择性达到86%。

CO2是一种无毒且丰富的碳资源,利用可再生能源和绿色氢气将CO2转化为甲醇这一关键工业平台分子,在减少碳排放同时又可以将CO2固定为有价值的化学品,是国家能源条件与环境现状的共同选择。然而,传统工艺依赖于高温高压,能源消耗巨大,同时反应热力学受限,难以在高转化率条件下实现甲醇高选择性。

基于此,北京大学的马丁&王蒙团队对传统釜式反应器进行了改造,利用太阳能将CO2高效转化为甲醇,将反向Cu-Zr基催化剂集成到太阳能驱动的反应器中,在无需额外能量输入的情况下,CO2转化率高达98%,甲醇选择性达到86%。该反应器采用了已报道的“气相原料输入/液相产物流出”概念(LOGIC),通过聚焦阳光加热催化剂床层,并在反应装置下层进行温度控制,使反应中产生的水同甲醇在反应器底部冷凝,从而减少装置内部重要产物分压,从而持续推动反应进行。此设计通过降低气相中产物浓度,有效调节反应平衡,确保高效的反应过程。这一成果较传统热催化工艺有了显著提升,突破了热力学的局限,为碳捕集与利用提供了可持续的解决方案。此外,作者还设计定量环取样装置串联质谱用以检测反应过程中气体组分的变化。发现甲醇合成过程并非在反应初期即同步进行,而是先发生逆水煤气反应,生成CO和H2O,然后在达到相应的组分比例后,快速进行甲醇的生成。表明在该反应条件下气体成分的调节和反应动力学显著不同于传统的热催化反应条件。

利用太阳能作为主要能源,具有显著的优势,不仅能够减少碳排放,还能有效降低运行成本。研究团队在实际太阳光和模拟光条件下均成功验证了反应器的性能,同时也指出了如光照波动和外部环境因素等挑战。未来的研究将致力于进一步优化系统并提升稳定性,以拓展其应用范围。这一创新成果标志着可再生能源与碳捕集技术的深度融合,展现了将CO2从环境负担转化为可持续资源的巨大潜力。


详见:Lingzhen Zeng, Yongfang Sun, Tingting Wang, Zeyan Cen, Maolin Wang, Oriol Angurell, Meng Wang, Ding Ma. Solar-powered methanol synthesis from CO2 hydrogenation with high conversion and selectivity. Sci. China Chem., 2024, https://doi.org/10.1007/s11426-024-2318-8

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【通讯作者简介】

北京大学化学与分子工程学院教授,国家杰出青年基金获得者,教育部“长江学者”,中组部“万人计划”领军人才。1996年本科毕业于四川大学,2001年获得中科院大连化学物理研究所博士学位,2001-2005年于英国牛津大学和布里斯托大学从事博士后研究工作。2005年入选中科院“百人计划”于大连化学物理研究所工作,2009年任职于北京大学化学与分子工程学院教授。马丁教授聚焦于能源转化新路径的开发、氢气的制备和存储、用于能源转化的新催化剂设计以及多相催化反应体系的原位和operando表征等研究工作,低温水相制备液体燃料的新体系等,在包括ScienceNatureNat. Nanotechnol.、Nat. Catal.等杂志上发表学术论文超200篇,引用超15000次,h因子67。现担任ACS Catal.Chin. J. Chem.副主编,J. Energy Chem.JouleCatal. Sci. Technol.J. Catal.Applications in Energy and Combustion ScienceInnovation等刊编委,科研项目获“国家自然科学二等奖”、“辽宁省科技进步一等奖”等荣誉。

王蒙 北京大学化学与分子工程学院研究员,主要致力于开发废塑料高值化的新路线,探索氢能应用和二氧化碳转化等领域的新体系和新反应。发展了多条全新的废塑料制品向高价值化学品的催化转化路线,设计了多个氢能应用相关的反应过程及催化剂,取得了系统性的创新成果。至今共发表研究论文70余篇,总引用次数3000余次,h指数30,其中以第一作者或通讯作者在Nat. Sustain.(3篇)、Nat. Chem. Eng.(1篇)、J. Am. Chem. Soc.(4篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(8篇)、CCS Chem./Chem/Matter/Sci. Adv./Nat. Comm.(10篇)等杂志发表论文20余篇。2021年获得第8届“中国催化新秀奖”。

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