光催化合成气制低碳烯烃Ni基催化材料的理性设计合成和性能调控

Photocatalysis is a very promising green technology in the fields of energy and environment. The development of novel catalysts with higher activity and stability for photocatalytic conversion of syngas to light olefins in high selectivity has important scientific significance and wide application prospect. In this project, by using ultrathin Ni-containing layered double hydroxides (LDHs) nanosheets as precursor, Ni-based nanoparticles supported semiconductor catalysts can be prepared controllably after thermal reduction process through intercalating photoactive elements (Zn, Ga) and component ions (Ru, Rh, Fe) regulating the electronic structure of Ni into LDHs. By controlling the size and morphology of LDHs precursors, the particle size, morphology, crystal form, exposed crystal facets and the heterointerface between them of the semiconductor support and the Ni-based catalytic active components can be well tuned. The as-synthesized photocatalysts exhibit good adsorption ability for the intermediate products (CH2*) during the catalytic conversion of syngas, and finally give excellent photocatalytic performance in high selectivity for lower olefins under mild condition. Furthermore, the relationships between structures of Ni-based photocatalysts and their photocatalytic performance, and the photocatalytic reaction mechanism will be systematically investigated in depth, which may provide general rules for the rational design of photocatalysts for conversion of syngas synthesis in high selectivity with higher efficiency and stability in future.

光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。发展新型、高效、稳定的可光驱动合成气高选择性转化制低碳烯烃的光催化材料具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本项目拟设计开发一系列新型Ni基金属纳米颗粒负载半导体光催化材料：以Ni基超薄层状双氢氧化物（LDHs）为催化剂前体，在其层板中引入具有光催化活性的元素（Zn、Ga）和调控Ni电子结构的组分（Ru、Rh、Fe），经热还原可控合成。通过调控LDHs前体的尺寸、形貌等，实现对于半导体载体和Ni基金属活性组分的尺寸、形貌、晶型、暴露晶面以及复合结构界面的精准调控，进而达到对合成气中间产物的选择性吸附，最终获得合成气转化制低碳烯烃性能优越、反应条件温和的新型光催化剂。通过深入研究光催化材料的构效关系及光催化反应机理，为开发新型、高效、稳定的合成气高选择转化光催化材料提供通用的设计准则。

光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。发展新型、高效、稳定的可光驱动合成气高选择性转化制低碳烯烃的光催化材料具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本项目采用双滴法、共沉淀法等成功制备了一系列新型高效金属基微纳米结构催化剂，如Ni/MnO催化剂、氧化亚铁氧化铈纳米复合物、Co基光热催化剂、CoFe合金化合物等，这些微纳结构材料在光热催化CO加氢制备低碳烯烃、光热催化二氧化碳加氢反应等方面均表现出优异的催化活性和循环稳定性，为设计和开发新型高效的催化材料提供了新思路和新途径。代表性工作如下： 1）开发了一种新型的氧化锰修饰的金属镍催化剂（Ni/MnO），活性金属镍的电子结构被氧化锰调控从而使其加氢能力大大降低，因此低碳烯烃选择性明显提高；2）通过复合-还原的方法成功地制备了氧化亚铁和氧化铈的纳米复合物，很好的结合了氧化铈对于二氧化碳的活化作用以及氧化亚铁对于产物一氧化碳高选择性的特点，将二氧化碳高效、高选择性的转化为一氧化碳产物，其中一氧化碳的选择性最高可达99.87%，二氧化碳转化率维持在40%以上；3）以水滑石为前驱体煅烧获得了不同结构的Fe基、Co基催化剂，均展现出优异的一氧化碳加氢性能；4）鉴于本课题组在水滑石二维纳米材料的可控制备及其光（热）催化CO、CO2加氢等方面的特色研究成果，应邀在国际化学领域知名期刊Chem. Soc. Rev.发表综述文章1篇，该综述系统的总结了以水滑石为代表的二维材料及其衍生物在光（热）催化COx（CO或CO2）还原方面的代表性研究工作；5）以Al2O3为基板构筑高度分散的CoFe合金化合物，所制备的CoFe合金化合物可以实现高效光热催化二氧化碳加氢反应生成C2+高级烷烃，其中C2+高级烷烃的产物选择性高达35%。