Small Structures:单原子催化用于热催化转化CO₂制备高附加值产物研究进展

碳排放已成为全球性问题,并造成严重的温室效应,其中近半排放的CO2无法消耗并导致大气层CO2含量自上世纪50年代以来的持续增长。碳捕获和利用(Carbon capture and utilization, CCU)是降低碳排放的重要手段,通过将CO2转化为高附加值产物,可作为潜在的化工原料来源,代替不可再生的石油资源。生物质转化途径以外,催化途径同样具有高可行性,而相较于光催化或电催化,热催化途径更具工业潜力。催化剂是这一流程的关键,热催化CO2还原通常利用H2作为还原剂,过渡金属特别是贵金属具有较高的CO2活化和H2裂解能力,是此类反应的活性中心,同时载体也会参与CO2的吸附和产物脱附过程,对反应的转化率和选择性产生影响。现阶段甲醇/DME的生产最具效益,利用液相还原制备甲酸以及C-C偶联直接获得乙烯、乙醇等多碳产物也是CO2还原的发展和应用目标。相比于简单产物CO和CH4,此类反应的基元反应更为复杂,同时面临时空产率低和副产物多的问题。而单原子催化材料(SAC)具有高原子利用效率,可调的化学环境和较高的热稳定性,近年来受到广泛关注。SAC表现出不同于团簇和纳米颗粒的催化性质,在多种CO2还原展示出高应用潜力。

清华大学王定胜课题组系统地综述了近年来单原子催化用于CO2热催化转化为高附加值产物研究的进展。详尽介绍了CO2还原反应的类型和产物,并分类和总结了SAC的结构、催化性能和制备策略。从产物出发对催化反应特点和存在的问题进行了对比,为单原子型催化剂的开发和CO2转化应用提供参考和启发。

文章首先扼要地介绍了CCU的重要性和几种可行途径(生物质、光/电/热催化),并总结归纳了热催化CO2活化反应类型,对比了H2作为还原剂时不同产物的反应条件、工业应用、储运等问题,同时讨论其工业化的经济性和可行性。随后以载体分类,详细梳理了具有CO2转化能力的SAC和单原子-簇/颗粒共存型催化剂,分析了载体(氧化物、碳材料、单原子合金、多孔材料等)、活性金属以及位点协同对CO2还原产物的影响,并探讨了合成调控方法、促进剂(酸碱性调控、有机配体等)、稳定性、表征手段和理论模拟等相关问题,最后总结了SAC用于CO2还原的机遇和挑战,并展望SAC催化用于CO2还原制备高附加值产物的未来研究方向。

图一:常见的CO2还原反应

论文信息:

Recent Progress in Thermal Conversion of CO2 via Single-Atom Site Catalysis

Qishun Wang, Xiaobo Zheng, Jiabin Wu, Yao Wang, Dingsheng Wang*, Yadong Li

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200059

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200059