构筑单中心受阻路易斯酸碱对用以高效CO2加氢的研究

CO2 can be converted into liquid fuels and other high value-added chemicals via CO2 hydrogenation, which is expected to comprehensively solve the dual problems of energy and environment. Currently, how to achieve efficient activation of CO2 to improve catalytic performance is still one of the major challenges. We intend to develop a kind of single-site heterogeneous catalysts with solid frustrated Lewis pairs. Then, this solid frustrated Lewis pairs will be studied through the fabrication and regulation of Lewis center, structure-performance relationship of CO2 hydrogenation and the reaction mechanism. Based on the above results, it is expected to develop a strategy for the fabrication of single-site heterogeneous catalysts with solid frustrated Lewis pairs. Furthermore, it is supposed to build the structure-performance relationship of CO2 hydrogenation. The corresponding key processes and regulation rules will be revealed at the atomic and molecular level by means of multiple in-situ characterization methods combined with theoretical calculation. Finally, it is promising to develop several efficient single-site heterogeneous catalysts with solid frustrated Lewis pairs for CO2 hydrogenation.

CO2加氢催化反应能够将CO2转化为液体燃料以及其它高附加值的化学品，有望综合解决能源和环境双重问题。目前，如何实现高效地活化CO2以提升催化活性仍面临重大挑战。本项目拟构筑单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂，围绕所设计的这种固相受阻路易斯酸碱对，从构筑与结构调控、CO2加氢的构效关系及活化过程与调控机制三个方面开展系统研究。旨在发展出一套用以构筑单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂的有效手段。基于单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂，凝练出其用以CO2加氢的构效关系。借助多种原位表征手段结合理论模拟计算在原子分子层面揭示单中心受阻路易斯酸碱对活化CO2的关键过程和调控机制，最终筛选出1-2种能够高效用于CO2加氢的单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂。

受阻路易斯酸碱对由一对路易斯酸和碱及受阻空间共同组成，凭借其独特的活性中心结构在小分子活化与催化转化方面展现出重要的应用前景。本项目组围绕单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂，从构筑与结构调控、催化加氢的构效关系及活化过程与调控机制三个方面开展了系统研究。首先，项目组发展了一种引入氧空位以形成缺陷态载体的合成方法，并采用原位重构的方式可控合成了多种缺陷态载体负载不同类型单原子的系列催化剂。借助球差校正电镜、X射线吸收、电子顺磁共振及红外等多种手段对其结构进行了精细表征分析。基于此，项目组评估测试了催化性能，包括COx加氢、烯烃加氢偶联、烷烃脱氢氧化等多种类型的催化反应，筛选出了几种能够高效用于催化加氢的单中心受阻路易斯酸碱对多相催化剂。其中，Rh1/Al2O3表现出了非常优异的催化加氢活性，从70℃到110℃，对应单位摩尔Rh的催化活性从1300mol增加到了30000mol。Cu/Y在常规催化加氢条件下实现了高碳烷烃C5+选择性高达65.3%、转化率10.2%的优异催化性能。进一步地，通过多种原位表征手段包含原位红外、原位X射线吸收及程序升温脱附-质谱联用等技术，深入地揭示单中心受阻路易斯酸碱对在催化加氢中的关键过程和调控机制，在原子分子层面上加深了对该催化反应的认识，并以此优化加氢反应的活性和选择性。该项目研究成果将为受阻路易斯酸碱对在多相催化特别是催化加氢反应中的应用提供研究基础和重要依据。项目执行期间，在国际学术期刊发表研究论文1篇，其余4篇文章正在审稿/回审中，预计将于近期陆续发表。