化工学院绿色催化团队何珍红教授课题组在CO2及低碳烷烃催化转化领域取得研究进展

化学与化工学院绿色催化研究团队围绕国家重大需求和学术前沿，致力于能源环境催化和含氟化合物合成两大课题的基础与应用研究，开展高效催化剂的设计合成和绿色催化过程的开发及其应用相关科学问题的研究工作。近期，团队围绕碳中和目标，在CO₂氧化丙烷脱氢、CO₂催化转化领域取得重要研究进展。

CO₂氧化丙烷脱氢反应（CO₂-ODHP）不仅能生产大量丙烯，还能实现CO₂减排和资源化回收，具有非常重要的意义。然而，该反应在高温条件下（>500 ℃）进行，催化剂积碳是导致其失活的重要因素，也是高温催化反应中面临的常见难题之一。围绕该问题，课题组开发出具有微孔、中孔和大孔的片状分子筛，并负载GaN制备出具有多级孔纳米片结构特征的GaN/HNS-1催化剂，能够高效催化CO₂-ODHP反应进行，同时能够显著降低失活速率。DFT理论计算和原位DRIFTS证实，该反应涉及直接脱氢（DHP）和逆水煤气变换反应（RWGS），尤其是采用的多级孔片层分子筛催化剂能够显著增加气体分子传质扩散效率，促进积碳前驱体的快速转移，从而显著提高催化性能。相关研究工作以“Mass-transfer enhancement in the CO₂ oxidative dehydrogenation of propane over GaN supported on zeolite nanosheets with a short b-axis and hierarchical pores”为题发表在催化领域国际著名期刊ACS Catalysis（影响因子IF=11.7）上。我校硕士研究生朱占军为第一作者，何珍红教授和刘昭铁教授为共同通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位，陕西师范大学为共同通讯单位。

图1. GaN/片状多级孔分子筛催化CO₂-ODHP性能和机理

此外，为了降低CO₂-ODHP反应温度，该团队开发出Pt-GaN/SrTiO₃和BiOI/AC催化剂，利用光和热的协同优势，在相对较低的温度下（300 °C）实现该反应，首次报道了Pt-GaN/SrTiO₃光热催化CO₂氧化丙烷脱氢反应，揭示出GaN和Pt分别为C-H和C=O的活化中心；同时表明CO₂在光热和热的条件下有不同的转化路径；揭示了反应机理是丙烷直接脱氢耦合逆水煤气反应。相关工作分别以“Photothermal catalytic CO₂ oxidative dehydrogenation of propane over a dual functional Pt-GaN/SrTiO₃ catalyst”和“Activated carbon-boosted BiOI in CO₂ adsorption and electron transfer for photothermally catalyzed CO₂ oxidative dehydrogenation of propane”为题在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.3）和Chemical Engineering Journal（IF=13.4）期刊上发表。论文均以陕西科技大学为第一通讯单位，博士研究生王森望和硕士研究生苗润青分别为论文的第一作者，何珍红教授和刘昭铁教授为通讯作者。

图2 光热催化CO₂氧化丙烷脱氢制备丙烯和CO

围绕CO₂资源利用，采用热解法制备了Fe_xC@CNT/N-MXene催化剂，用于催化二氧化碳和水共电解生成CO和H₂。通过调节外加电位，产生具有不同H₂/CO摩尔比的合成气，其中在-1.1 V (vs. RHE)获得等量的CO和H₂，可直接用于氢甲酰化和FT合成等反应。表征结果表明，在制备过程中形成了Fe_xC、碳纳米管和掺杂N的MXene。本研究为CO₂ER和HER共电解合成气提供了一种高效的催化剂，该策略对设计其他偶联反应的双功能催化剂提供思路。相关研究工作以“Efficient synthesis of syngas from CO₂ electrochemical reduction over a dual functional Fe_xC@CNT/N-MXene catalyst”为题，发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.3）。

此外，开发了一种构建Cu₂₊₁O电催化剂的策略，通过Zn(OH)₂稳定Cu₂₊₁O,在泡沫铜上形成片状结构的Zn(OH)₂/Cu₂₊₁O催化剂，实现电催化CO₂还原为C₂H₆在低过电位下（-0.3−-0.6V (vs. RHE)）产生较高的法拉第效率（在-0.3V下，产生C₂H₆的法拉第效率高达67.8%），且该催化剂可以连续应用至少三天，具有可接受的电催化性能。相关研究工作以“Highly selective catalytic reduction of CO₂ to ethane over a petal-like Zn(OH)₂/Cu₂₊₁O/Cu foam catalyst at low overpotentials”为题发表在Journal of Materials Chemistry A（IF=10.8）期刊上，该研究对电催化CO₂还原产生C₂H₆提供了一种新的策略。我校博士研究生郭攀攀、曹会会为第一作者，何珍红教授和刘昭铁教授为共同通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位，陕西师范大学为共同通讯单位。

图3. 电催化CO₂还原为C₂H₆的性能和机理

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acscatal.4c02599

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124246

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148293

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123786

https://doi.org/10.1039/D4TA00502C

（核稿：黄文欢 编辑：赵诚）