近日,中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室孙予罕研究员和高鹏研究员团队在新型钴铁合金催化材料助力碳中性航空燃料合成方面取得新进展。研究成果以“Direct conversion of CO2 to a jet fuel over CoFe alloy catalysts”为题在线发表在Cell Press旗下《The Innovation》(2021, 2(4), 100170)上。
温室气体排放所导致的环境问题已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍,而航空业也成为碳排“大户”。与汽车行业不同,航空业是一个很难在未来几十年里被电池和氢气燃料脱碳的行业,特别是对于长途飞行。近年来,借助“绿氢”将CO2转化为燃料和高附加值化学品成为了国内外的研究热点。该过程可将可再生能源通过与CO2的高效转化以化学能的形式储存在易于运输的燃料和化学品中,同时可利用当前的碳氢燃料基础设施减少航空旅行对环境的影响。
CO2的化学惰性导致其在催化剂表面吸附与反应速率较慢,链增长能力较差,更容易生成CO、甲醇、甲酸等C1化合物,很难得到C2以上的产物。2017年研究团队创制了氧化铟/分子筛双功能催化剂(In2O3/HZSM-5),在国际上率先实现了CO2直接加氢高选择性合成C5-C11高异构烃含量的汽油馏分,并构建了CO2加氢直接合成各种高值C2+烃的反应新平台,该结果发表在《自然-化学》杂志(Nature Chemistry, 2017, 9, 1019,ESI热点/高被引论文,被引频次>410)。此后,诸多研究团队采用类似的氧化物/分子筛双功能催化剂,在CO2加氢直接合成低碳烯烃、液化石油气、C5+异构烃与芳烃等方面取得一系列重要进展。然而,航空煤油的理想碳链长度为C8-C16,CO2加氢直接合成更长碳链的航空煤油馏分的成功研究鲜有报道。
在前期的工作基础上(ACS Catal.2018, 8, 571; Chin. J. Catal. 2018, 39, 1294; ACS Catal. 2019, 9, 3866; ACS Cent. Sci. 2020, 6, 1657; Appl. Catal. B-Environ. 2021, 286, 119929),该团队设计合成了钠(Na)助剂修饰的钴铁合金新型催化材料(CoFe),成功实现了逆水煤气变换(RWGS)反应与费托合成反应(FTS)的接力、功能匹配和优化。在较温和的条件下(240 oC、3 MPa),实现了CO2加氢直接转化成航空燃料,C8-C16的选择性达63.5%,打破了传统FTS对C8-C16的最高理论选择性仅为41%的ASF限制,是目前文献报道的最高值。CO2转化率为10.2%,副产物甲烷与CO的选择性分别为17.8%和5.2%(图1)。CO2加氢评价结果发现,Na助剂的引入可以大幅降低甲烷的选择性、促进长链烃的生成;相对于单金属Co,CoFe合金催化剂更有利于C8+产物的生成并可有效抑制甲烷的产生;空速的增加与温度的降低均可进一步提高C8+选择性并降低甲烷选择性。此外,该催化剂在120小时的评价时间内展现了良好的催化稳定性,具有很好的工业应用前景。
图1 CO2加氢反应性能:反应空速(A)和反应温度(B)对CO2转化率、CO选择性与烃类分布的影响
XAFS等表征证实金属相CoFe合金是主要的活性相,表面化学反应与准原位高压XPS等实验表明,相对于金属Co,CoFe合金一方面可以促进CO中间物种的生成与转化,有利于C–C偶联,另一方面DFT理论研究结果发现其链生长能力较Co催化剂弱,可以抑制过长链烃的形成,使得烃类分布集中于航空煤油馏分(图2)。此外,原位DRIFTS实验发现,甲烷的形成与甲氧基中间物种(CH3O*)有关,CoFe相上CO2甲烷化的关键步骤(即CH3O*解离)的能垒很高,表明CoFe合金相的形成有利于抑制CO2甲烷化反应。同时,将Na助剂加入CoFe催化剂后,更有利于该催化剂上的偶联反应而非氢化反应,由此可以进一步促进碳链增长并抑制甲烷化反应。
该工作不仅开发了一种具有工业应用前景的合成碳中性喷气燃料的廉价催化材料,努力为“双碳”战略提供高质量科技支撑。还通过实验与理论有机结合的手段,更好地理解了这一复杂的反应网络,有助于实现更高效的催化过程设计。
图2 密度泛函理论计算:Co(A)和CoFe(B)催化剂上CH*加氢和C-C耦合反应势能面及相应的过渡态结构(C-F)
论文的第一作者为我院硕士生张磊、博士生党雅茹与上海科技大学的博士生周晓红,DFT理论计算工作由我院李圣刚研究员(共同通讯作者)带领团队完成,准原位高压XPS实验工作得到了上海科技大学杨永教授团队的支持,X-射线吸收表征通过与我院上海光源李炯研究员在BL11B线站开展in-house研究完成。该研究工作得到壳牌前瞻科学基金、国家自然科学基金、中科院洁净能源先导科技专项、中科院青年创新促进会和上海市青年科技启明星计划的支持。
原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S26666758(21)00095-3
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
上海高研院在碳中性航空燃料合成领域取得重要突破
本站小编 Free考研考试/2022-02-14
相关话题/航空 实验 工作 金属 科技
故宫博物院-上海光源联合实验室成果报道:明代早期铜红釉中铜原料及着色的研究
故宫博物院(文保科技部、考古研究所)与中科院上海高等研究院/上海光源针对故宫考古出土的明代洪武时期(14世纪后期)釉里红瓷片开展了合作研究,最新的研究成果(第一作者贾翠)发表于最近出版的《欧洲陶瓷协会会刊》(JournaloftheEuropeanCeramicSociety)。(原文链接:http ...上海高等研究院 本站小编 Free考研考试 2022-02-14蛋白质设施用户全面揭示转录起始复合物的工作机制
以人类为代表的高等生物,进化出复杂的基因表达调控机制,利用同一套基因组遗传信息,分化出数百种不同的细胞类型,以适应对复杂生长发育过程的需要。转录起始过程发生在几万种不同基因的高度多样化的启动子区,人类肿瘤一半以上是由转录为核心的异常造成的。因此,围绕启动子区转录起始过程的调控,是细胞体系内最为核心的 ...上海高等研究院 本站小编 Free考研考试 2022-02-14蛋白质设施用户成果入选2020年度“中国十大医学科技新闻”
国家蛋白质科学研究(上海)设施(以下简称蛋白质设施)是国家“十一五”规划建设的国家重大科技基础设施项目,是全球生命科学领域首个综合性的大科学装置。近日,同济大学附属上海市肺科医院教授戈宝学团队联合上海科技大学教授饶子和院士团队的成果“结核菌免疫逃逸机制被揭示”成功入选由健康报社组织评选的2020年度 ...上海高等研究院 本站小编 Free考研考试 2022-02-14上海高研院举办第六期“高研交叉学科论坛”之光源实验辅助系统电镜平台专场
2021年3月26日上午,第六期"高研交叉学科论坛"在光源综合楼一楼大报告厅成功举办。本期论坛为光源实验辅助系统电镜平台专场,以"探索微纳世界的眼睛-先进电子显微成像技术"为主题,高研院60余名科研人员及研究生参加了活动。活动邀请到上海交通大学化学化工学院刘晰研究员、上海科技大学物质科学与技术学院于 ...上海高等研究院 本站小编 Free考研考试 2022-02-14上海天文台两个项目荣获2020年度十大天文科技进展
为促进我国天文学科的进步和发展,鼓励和表彰取得突出成果的天文科研和技术人员,扩大天文学科在社会上的广泛影响,中国天文学会与中国科学院天文大科学研究中心在全国范围内评选2020年度十大天文科技进展。评选活动由中国科学院天文大科学研究中心综合管理部具体组织。目前,此次评选活动已圆满结束。经评审专家网络投 ...上海天文台 本站小编 Free考研考试 2022-02-14刘星,愿做基础研究生力军,勇闯科技创新 “无人区”
近日,中国科学院上海分院召开“基础研究特区计划”启动会,上海巴斯德研究所青年研究员刘星入选第一批中国科学院上海分院“基础研究特区计划”(首批10个项目)。 从哈佛归来…… 刘星曾是中科院岳阳路320号大院里的一名优秀学子。博士毕业后,他于2014年加入美国哈佛大学医学院分子医学免疫系,师从系主任 ...上海巴斯德研究所 本站小编 Free考研考试 2022-02-14首届“华世达·巴斯德杯”上海市徐汇区青少年微生物创新实验邀请赛圆满落幕
生命科学是贯穿人类发展的永恒话题,它与人工智能、互联网的深入应用以及量子计算均处于国家重点发展的科技领域的制高点。尤其经历了自年初新冠疫情在全球的爆发至今,全人类都已深刻意识到生命科学的重要性。对生命科学的认知边界决定了人类的未来,而积极培养下一代科技人才储备也将是全人类的共同使命。 9月26日, ...上海巴斯德研究所 本站小编 Free考研考试 2022-02-14陆地探测一号01组A星成功发射 红外地球敏感器工作正常
北京时间2022年1月26日7时44分,我国在酒泉卫星发射中心成功发射陆地探测一号01组A星,卫星已顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。上海技物所研制的1台双圆锥扫描式红外地球敏感器工作正常,各项性能满足任务要求。 陆地探测一号01组A星是上海技物所今年参与并圆满完成的首次发射任务,该卫星在轨 ...上海技术物理研究所 本站小编 Free考研考试 2022-02-14红外发射谱段空间辐射基准载荷亮相国家“十三五”科技创新成就展
10月26日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平参观国家“十三五”科技创新成就展,上海技物所红外发射谱段空间辐射基准载荷参展。 红外发射谱段空间辐射基准载荷是实施中国空间辐射测量基准计划的重要组成部分。上海技物所联合国内优势单位,围绕空间遥感长时间可测量、可溯源、可传递、可比较、可监测的 ...上海技术物理研究所 本站小编 Free考研考试 2022-02-14SDGSAT-1科学卫星完成发射基地测试区所有工作
上海技物所可持续发展目标1号卫星(SDGSAT-1,又称CASEarth卫星)试验队讯,已在太原卫星发射基地测试区完成卫星的测试工作。该卫星是中科院空间科学(二期)先导专项任务,上海技物所承担研制星上主载荷之一,热红外成像仪。该相机是国际上在研的幅宽/分辨率比最大的热红外载荷,将用于刻画人类活动痕迹 ...上海技术物理研究所 本站小编 Free考研考试 2022-02-14