二氧化碳(CO2)與可再生氫氣(H2)定向轉(zhuǎn)化為具有高價(jià)值的重碳產(chǎn)品(C6+)，為實(shí)現(xiàn)化工凈零生產(chǎn)提供了一條可持續(xù)的途徑。
目前，研究人員開發(fā)了一系列金屬氧化物/沸石化合物來催化CO2加氫反應(yīng)。其中，CO2首先在金屬氧化物上加氫反應(yīng)形成C2-4有機(jī)物，然后沸石結(jié)構(gòu)將這些物種捕獲在其封閉的酸性孔隙中，并催化隨后向芳烴的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。然而，這種復(fù)雜的反應(yīng)過程常常導(dǎo)致氧化物和沸石之間的C-C偶聯(lián)速率不匹配，以及沸石通道內(nèi)發(fā)生產(chǎn)物異構(gòu)化。為了解決這些問題，在串聯(lián)體系中將氧化物的CO2加氫結(jié)構(gòu)域與C-C耦合結(jié)構(gòu)域分離可能是金屬氧化物/沸石催化劑的一個(gè)潛在策略。換句話說，通過保持強(qiáng)大的加氫活性，同時(shí)調(diào)節(jié)金屬氧化物的C-C偶聯(lián)傾向，具有高效定向串聯(lián)轉(zhuǎn)化CO2至芳烴的巨大潛力。近日，清華大學(xué)魏飛、陳曉、張晨曦和電子科技大學(xué)彭翃杰等報(bào)道了一種新型的復(fù)合鐵氧化物/沸石系統(tǒng)(LaFeO3/H-ZSM-5)。其中，LaFeO3鈣鈦礦具有[FeO6]八面體和Fe 3d帶結(jié)構(gòu)，可以提供優(yōu)越的穩(wěn)定性和特殊的抗?jié)B碳能力。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的鐵基催化劑通常表現(xiàn)出高的C2+選擇性不同，LaFeO3/H-ZSM-5上抑制了碳化鐵的形成，從而抑制了氧化物上不受控制的C-C偶聯(lián)，確保LaFeO3上的CO2加氫產(chǎn)生主要的關(guān)鍵C1產(chǎn)物(CH4選擇性>90%)，而C-C偶聯(lián)主要發(fā)生在H-ZSM-5沸石內(nèi)。LaFeO3鈣鈦礦和H-ZSM-5之間的協(xié)同作用導(dǎo)致對(duì)烴選擇性的精確控制，CO2轉(zhuǎn)化率超過60%，芳烴選擇性超過85%，CO選擇性<10%，優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的其他鐵基催化劑。此外，LaFeO3/H-ZSM-5催化劑也表現(xiàn)出良好的耐久性，在連續(xù)運(yùn)行超過1000小時(shí)后沒有發(fā)生明顯的活性下降，芳烴產(chǎn)量的衰減率明顯低于其他報(bào)道的復(fù)合體系。總的來說，LaFeO3在串聯(lián)CO2轉(zhuǎn)化中的成功實(shí)施不僅突出了活性金屬基鈣鈦礦在工業(yè)CO2循環(huán)中的巨大潛力，而且預(yù)示著鈣鈦礦介導(dǎo)的串聯(lián)催化為CO2的廣泛利用和化學(xué)合成提供了一條可持續(xù)和可擴(kuò)展的途徑，為脫碳化學(xué)工業(yè)鋪平了道路。Upgrading CO2 to sustainable aromatics via perovskite-mediated tandem catalysis. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47270-z
