大連化物所開發反應誘導的碳氧化鉬催化劑?實現二氧化碳高效轉化

近日，中國科學院大連化學物理研究所碳資源小分子與氫能利用研究組研究員孫劍和副研究員俞佳楓團隊，在碳化鉬催化CO₂轉化利用方面取得進展。科研人員利用火焰噴射裂解法一步合成了亞穩態不飽和氧化鉬催化劑。該亞穩態結構的氧化鉬無需碳化處理，可直接應用于逆水汽變換反應，在反應氣氛下迅速發生原位碳化，生成碳氧化鉬活性相，在高空速的苛刻條件下展現出優異的催化活性和穩定性。這一方法省去了繁瑣的碳化制備過程，解決了傳統碳化鉬催化劑在反應中易被氧化失活的問題。

碳化鉬催化材料具有獨特的電子和結構特性，在一系列催化反應中展現出近似貴金屬的催化特征，被視為貴金屬的替代催化劑。因此，碳化鉬催化材料在多相催化領域得到廣泛應用。碳化鉬可以通過程序升溫滲碳法、選擇性蝕刻法、機械合金合成法、化學氣相沉積法、原位熱滲碳法、溶液相合成法等方法制備。然而，碳化鉬的制備過程繁瑣且能耗較高，增加了催化劑的制備成本。此外，碳化鉬對反應中的氧化性氣氛較敏感，易被氧化而失活，限制了其應用。

該團隊采用火焰噴射裂解法技術，合成出亞穩態的不飽和氧化鉬催化劑。這一催化劑可直接用于逆水汽變換反應，在反應條件下原位發生碳化并生成穩定的碳氧化鉬活性相，省去了傳統碳化鉬制備過程中高成本、高能耗的碳化過程。研究發現，在600-°C下，該催化劑的CO產率達17.4 mol_CO·g_cat^-1·h^-1，產物中的CO選擇性為100%，且在2000小時的穩定性測試中未發生明顯失活。無論在活性還是穩定性方面，反應原位誘導產生的碳化鉬活性相的催化性能均優于傳統碳化方法預先合成的碳化鉬催化劑。

進一步，該研究揭示了在該碳化鉬催化劑上CO₂活化過程與傳統的氧化還原循環路徑不同。該過程遵循新的碳化-氧化循環反應路徑。也就是說，碳化鉬中的碳原子與CO₂中的碳原子進行交換并參與反應，降低反應能壘，提升催化活性。

上述成果為低成本碳化鉬催化劑的生產和應用提供了新思路，具有良好的應用前景。

相關研究成果以Reaction-induced unsaturated Mo oxycarbides afford highly active CO₂?conversion catalysts為題，發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源創新研究院-榆林學院聯合基金、大連市科技創新基金等的支持。

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