Nature子刊：CO2高选择性制汽油！

       二氧化碳（CO₂）是全球主要的温室气体之一，在自然界中大量存在。对CO₂的资源化利用，是解决温室效应并产生更高经济价值的有效途径。

 

       目前，CO₂还原制备甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等C1小分子已经取得较大进展，而将CO₂转化成含有2个或更多碳的化学品，还比较困难。这主要是因为CO₂分子具有化学惰性以及C-C偶联能垒较高。

现有的CO₂合成高碳烃类化合物的研究主要围绕改性的铁基费托催化剂，但效率不高且稳定性不好。

 

 

图1. Na-Fe₃O₄/HZSM-5多功能催化二氧化碳直接制液体燃料

 

图2. In₂O₃/ HZSM-5双功能催化二氧化碳直接制液体燃料

 

       有鉴于此，中科院大连化学物理研究所孙剑、葛庆杰研究员团队也设计了一种新型Na-Fe₃O₄/HZSM-5多功能复合催化剂，实现了CO₂直接加氢制取高辛烷值汽油， C5-C11汽油馏分烃选择性高达78%，甲烷选择性仅4%（CO₂转化率22%的条件下）。

 

图3. CO₂催化性能

 

       这种多功能催化剂含有Fe₃O₄, Fe₅C₂ 和酸性位点三种活性位。

       1）Fe₃O₄活性位用于逆水煤气转换；

       2）Fe₅C₂位点用于烯烃合成；

       3）沸石中的酸性位点用于异构化、芳香化以及寡聚反应。

 

图4. CO₂催化机理

 

       类似地，上海高研院孙予罕、钟良枢和高鹏团队设计了一种In₂O₃/ HZSM-5双功能催化剂，实现CO₂高选择性还原直接制高碳烃类化合物，汽油烃类组分选择性为78.6%，甲烷选择性仅有1%。

 

图5. 催化性能对比

 

       双功能催化剂的双活性位控制在抑制水煤气变换逆反应以及高选择性方便扮演重要角色：

       1）In₂O₃表面的氧空位起到活化CO₂的作用，通过加氢生成甲醇；

       2）在沸石孔道内部，甲醇发生C-C偶联反应，生成具有高辛烷值的汽油类高碳烃类化合物。

 

图6. 反应机理研究

 

1. Jian Wei, Qingjie Ge, Jian Sun et al. Directly converting CO₂ into a gasoline fuel. Nature Communications 2017, 8, 15174.

2. Peng Gao, Liangshu Zhong, Yuhan Sun et al. Direct conversion of CO₂ into liquid fuels with high selectivity over a bifunctional catalyst. Nature Chemistry 2017.