JACS:单原子镍催化剂,CO2捕获还原制甲烷

文摘   2024-11-08 18:00   湖南  

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研究背景

开发有效捕获二氧化碳并将其转化为相关产品的技术,能减轻温室气体对环境的影响,同时也为生产碳基分子(包括燃料)提供了可再生途径。与二氧化碳利用相关的最重大挑战之一是需要从空气中捕获和分离这种分子。目前,与二氧化碳捕获相关的能源成本使该过程不适合商业二氧化碳利用。例如,胺基捕集溶液在将二氧化碳转化为氨基甲酸酯方面效率很高;然而,随后释放二氧化碳以再生胺需要大量的能量,消耗高达化石燃料燃烧产生的总能量的三分之一。由于与电化学CO2还原相关的高活化势垒,在CO2转化为产物的过程中,额外的能量进一步损失。因此,CO2捕获和电化学CO2转化是两个能量密集的过程,必须依次进行。提高二氧化碳捕获和利用(CCU)整体效率的一种方法是通过直接电化学还原捕获溶液来整合捕获和转换过程。这种方法可以在一个步骤中实现CO2的转化和捕获物种的再生,完全消除与捕获溶液中CO2释放相关的能量损失。尽管关闭碳循环很重要,但迄今为止还没有电催化剂能够将二氧化碳捕获物氨基甲酸酯直接转化为碳氢化合物的例子。了解能够实现这种过程的催化剂作用机制将为合理设计能够将二氧化碳捕获解决方案直接转化为替代燃料或其他增值产品的新材料平台打开大门。 

本文要点

1. 证明了分散在各种导电电极材料上的单原子Ni催化剂可以将胺捕获溶液直接还原为甲烷(CH4),CO和CH4是仅有的两种含碳的产物,单原子Ni催化剂对CH4的选择性高于对CO的选择性。

2. 系统地比较了基于氨(NH3)、单乙胺(MEA)和二乙胺(DEA)捕获溶液,其能够形成氨基甲酸酯,而三乙胺(TEA)作为叔胺不能产生氨基甲酸酯。证明了CH4是氨基甲酸酯直接还原的产物,而不是游离二氧化碳。碳纳米管负载的分子镍酞菁催化剂(NiPc-OMe@CNT)随时间动力学测量进一步支持了这一结论,表明CO的产生对溶解的CO2浓度极为敏感,而CH4的产生则不敏感。

3. 密度泛函理论(DFT)计算确定了Ni单原子上氨基甲酸酯中间体的C-N键选择性断裂的新反应机制。这些发现提供了氨基甲酸酯直接转化为CH4的首个例子,并为指导设计集成二氧化碳捕获和转化的催化系统提供了关键机制见解。

图文内容

Figure 1. Reduction of CO2 capture species on a polycrystalline gold (Au) surface with no previous treatment. 

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.


Figure 7. CO TOF and CH4 TOF for NiPc-OMe/CNT in 1 M MEOA + 0.4 M KCl under −1.5 V vs Ag/AgCl

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

   

 

Figure 8. Calculated free energy diagram on Ni@Au(211).

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.


Figure 9. Comparison of calculated free energy diagram on Ni (211) and Ni@Au (211).

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

文献信息

Tomaz Neves-Garcia, Hailiang Wang*, Liane M. Rossi*, Robert E. Warburton*, L. Robert Baker* et alIntegrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel CatalystsJ. Am. Chem. Soc. 2024.

DOI:10.1021/jacs.4c09744

https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744   

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