侯瑞君,邱瑞,孫克寧
(北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,化學(xué)電源與綠色催化北京市重點實驗室,北京100081)
隨著人口的增加和全球工業(yè)化進程的加快,CO2排放量越來越大,近30年來CO2濃度更是急劇上升。根據(jù)夏威夷Mauna Loa 觀測站的最新數(shù)據(jù),2019 年CO2濃度最高已超過415μg/g[1]。CO2的大量排放已經(jīng)造成了全球溫室效應(yīng)等嚴重的環(huán)境問題,但同時CO2也是世界上最豐富的碳資源,如何將CO2作為碳源進行轉(zhuǎn)化利用已成為世界關(guān)注的熱點和亟需解決的問題[2-5]。
利用可再生資源生產(chǎn)的H2和全球排放的CO2進行催化轉(zhuǎn)化,不僅可以實現(xiàn)CO2的減排利用,亦可為能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整提供一種新型可再生能源的路線。CO2加氫可生成CO、CH4、CH3OH、二甲醚、低鏈烷烴、烯烴、多元醇等多種產(chǎn)品。其中,甲醇路線由于熱力學(xué)更可行、產(chǎn)品為液相更易運輸而成為催化研究領(lǐng)域的熱點問題[4]。因此,CO2催化加氫合成甲醇對解決日益嚴重的環(huán)境與能源問題具有重要的意義。CO2合成甲醇過程主要存在的副反應(yīng)為逆水煤氣反應(yīng),兩個反應(yīng)的反應(yīng)方程式和熱力學(xué)數(shù)據(jù)如式(1)和式(2)所示。
由以上方程式通過熱力學(xué)分析可知,低溫高壓的條件更有利于甲醇的生成。目前的報道中,CO2合成甲醇過程通常在200~80℃、2~5MPa下進行。
CO2合成甲醇主要采用Cu基催化劑,其催化性能取決于活性中心的微觀性質(zhì),如幾何效應(yīng)、電子效應(yīng)等;而其制備過程中的多種參數(shù),包括催化劑制備方法、金屬負載量、催化劑載體和制備工藝參數(shù)等,均會影響催化劑的微觀性質(zhì)。載體是影響催化劑性能的主要因素之一,其影響作用主要通過形成金屬-載體界面或金屬-載體強相互作用(SMSI)而實現(xiàn)。金屬載體界面處的相互作用直接影響活性位點的微觀結(jié)構(gòu)與電子云分布,并影響氣相組分的吸附性能和表面基元反應(yīng)的活性,因而導(dǎo)致催化劑表面的反應(yīng)路徑、活性和選擇性的不同。采用不同載體負載銅基活性組分,可獲得不同的微觀形貌和電子環(huán)境,從而影響甲醇的選擇性和收率。
為了提供更多的CO2活化位點,Cu基催化劑載體多采用具有氧化還原性質(zhì)或可提供氧缺位的載體,如ZnO、CeO2、ZrO2、TiO2等,本文綜述了以上幾種單組分氧化物載體與Cu 基催化劑之間的界面作用及其對CO2合成甲醇反應(yīng)的影響。
Cu/ZnO/Al2O3是出色的合成氣制甲醇的商用催化劑,因而也被應(yīng)用在CO2制甲醇中。ZnO在傳統(tǒng)CO2制甲醇的Cu/ZnO/Al2O3催化劑中發(fā)揮了助劑和載體的雙重作用,Cu/ZnO/Al2O3的活性位點被認為是在Cu 與ZnO 的界面。20 世紀末,研究者對該體系展開了廣泛的研究,并獲得一定的進展,然而,Cu-ZnO 界面的相互作用、微觀結(jié)構(gòu)在反應(yīng)條件下的動態(tài)變化及具體催化機制尚存在爭議。21 世紀以來,由于研究方法和手段的不斷創(chuàng)新,如密度泛函理論計算(DFT)、高分辨電子顯微鏡、原位表征技術(shù)等,出現(xiàn)了更多、更深入的關(guān)于Cu-ZnO相互作用的報道。
Cu 的比表面積與催化活性具有正相關(guān)性[6],ZnO的加入可提高Cu的比表面積(分散度)[7]。通過改進制備方法[6,8],可有效地提高Cu的比表面積。然而,若以單位活性位點為基準(zhǔn)計算轉(zhuǎn)化頻率(TOF),不同樣品的比活性仍有差別,這意味著不同催化劑表面存在著不同狀態(tài)的活性位點。若想進一步優(yōu)化催化劑性能,探究活性位點的催化機理、找到提供高活性的微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
CO2加氫制甲醇是一個對微觀結(jié)構(gòu)敏感的反應(yīng)[9-10]。反應(yīng)中的Cu/ZnO 結(jié)構(gòu)是一種類核殼結(jié)構(gòu),即Cu 顆粒表面被部分還原的ZnOx所覆蓋,形成了SMSI。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)Cu表面的ZnOx是一種類石墨結(jié)構(gòu),然而這一結(jié)構(gòu)尚未在反應(yīng)條件下證實[11-12]。Cu的微觀形貌是影響合成甲醇活性的一個重要因素,反應(yīng)氣氛下Cu的形貌是可逆改變的,當(dāng)Cu/ZnO被還原后,大量ZnOx遷移至小的圓球形Cu 顆粒表面,而中等大小的橢圓球表面只有少量ZnOx,小球形表面由于具有大量Cu-ZnOx界面[13],因此表現(xiàn)出高的甲醇合成活性。另一方面,ZnO的形貌對反應(yīng)活性也有影響,采用平板狀、柱狀、絲狀的ZnO 對Cu進行修飾[14-15],所獲得的催化劑表現(xiàn)出不同的性能,其中平板狀表面暴露的主要為(002)晶面,具有較高的極性,與Cu 形成的相互作用更強,因而表現(xiàn)出更高的甲醇選擇性。
Cu-ZnO 的相互作用最初被認為是“雙位點”機理,即H2在Cu 表面吸附、分解,CO2在ZnO 表面吸附,H通過溢流作用遷移至ZnO位點與吸附態(tài)的CO2發(fā)生反應(yīng)。近些年來,越來越多學(xué)者更傾向于Cu-ZnO界面在反應(yīng)中起主要的作用。Lei等[15]發(fā)現(xiàn),高活性Cu 顆粒表面存在著堆垛層錯,見圖1,其層錯密度與甲醇合成的活性成正相關(guān);堆垛層錯導(dǎo)致了原子間的弛豫,并形成了表面的缺陷位點,被Zn 修飾的缺陷位點被認為是主要的催化甲醇合成的活性位點。Greeley[16]將Zn 的修飾定量化,考察了不同Zn覆蓋度的Cu表面。結(jié)果表明,隨著Zn覆蓋度增加,合成甲醇的活性也隨之增加,而Cu與ZnO 的粒徑也是一個重要影響因素,Cu 表面的ZnO 粒徑增加可提高Zn 的覆蓋度,進而提高催化活性。由于Cu-ZnO 界面Zn 的氧化狀態(tài)存在爭議,Kattel 等[17]考察了ZnCu 合金與ZnO/Cu 兩種界面的反應(yīng)路徑與催化性能,結(jié)果表明,CuZn 合金結(jié)構(gòu)在反應(yīng)條件下不穩(wěn)定,逐漸被氧化形成ZnO-Cu界面,通過蒙特卡洛動力學(xué)計算發(fā)現(xiàn),ZnO-Cu 表面的甲醇合成速率高于ZnCu合金表面。
圖1 層錯密度與甲醇合成活性的關(guān)系圖[16](A、B、C為平板面)
ZrO2在還原或氧化氣氛下具有高穩(wěn)定性,其表面存在氧空位且具有一定堿性,可為CO2提供吸附位點,因此被應(yīng)用于甲醇合成反應(yīng)中。與ZnO 類似,ZrO2有利于提高Cu的分散度;然而,與Cu-ZnO體系不一致的是,甲醇合成的催化活性與Cu 的比表面積無關(guān)[18]。研究表明,其催化活性與Cu-ZrO2界面相互作用的強度及界面面積具有正相關(guān)性[19]。很多學(xué)者致力于考察制備過程對Cu-ZrO2界面作用的影響,如制備方法[20-22]、前驅(qū)體鹽[23]、CuO/ZrO2比[20,24]、煅燒溫度[20,24-25]等;諸多因素均可影響Cu的分散度及其與ZrO2的相互作用,進而影響表面電子狀態(tài)和甲醇合成的活性。因此,需探明催化甲醇合成的高活性位點,并據(jù)此設(shè)計指導(dǎo)高性能催化劑的合成。
CO2加氫反應(yīng)中各子反應(yīng)(合成甲醇、水汽變換、CO 加氫等)的活性均對ZrO2的晶相結(jié)構(gòu)敏感[22,26-27]。根據(jù)已有報道[22,24,28-29],無定型相(a)和立方晶相(t)所負載的Cu催化劑對甲醇合成的活性較高,而單斜晶相(m)所負載的Cu 催化活性相對較差。然而,無定型相和立方晶相與Cu 的相互作用及其催化甲醇合成的反應(yīng)機理仍存在爭議。在無定型相上易獲得較高的比表面積,有助于Cu的分散,因此,Cu/a-ZrO2通常表現(xiàn)出更高的表觀活性[24,28];當(dāng)以單位活性位點計算TOF 時,Witoon等[28]發(fā)現(xiàn)Cu/t-ZrO2表現(xiàn)出比Cu/a-ZrO2略高的活性,而Tada 等[24]的研究結(jié)果表明,Cu/a-ZrO2仍保持最高的TOF。
Cu 與不同晶相ZrO2之間的相互作用被不同的模型所解釋。Samson 等[22]認為,t-ZrO2的氧空位與Cu 離子的界面處所形成的酸性位點是主要的甲醇合成活性位點,在還原氣氛下,t-ZrO2中的氧空位有助于Cu 原子遷移進入ZrO2的晶格,形成穩(wěn)定的Cu 離子,并反過來促進t-ZrO2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;通過理論分析,氧空位更容易在ZrO2(111)面形成,與單斜晶相相比,立方晶相更容易在550K 以下形成穩(wěn)定的(111)面。Tada 等[24]認為,在a-ZrO2上易形成CuxZryOz復(fù)合氧化物(圖2),該復(fù)合氧化物產(chǎn)生了強的金屬載體相互作用,有利于甲醇合成反應(yīng)的發(fā)生;同時,他們認為CO2合成甲醇為連續(xù)反應(yīng),包括CO2合成甲醇(1)與甲醇分解為CO(2)兩個主要步驟,通過吸脫附實驗分析,甲醇在a-ZrO2表面弱吸附,不易進行第(2)步甲醇分解反應(yīng),因此,Cu/a-ZrO2表現(xiàn)出更高的甲醇選擇性。
Cu/ZrO2催化CO2合成甲醇的反應(yīng)機理和反應(yīng)路線也存在一定爭議。Fisher等[30]認為Cu/ZrO2表面存在雙活性位點,H2在Cu 表面分解,通過溢流轉(zhuǎn)移至ZrO2位點,在ZrO2位點處,CO2被活化并進行后續(xù)反應(yīng);而Samson等[22]認為,ZrO2上幾乎不存在活性位點,Cu與ZrO2上的氧缺位相互作用形成Cu離子,其界面處所形成的酸性位點主要參與反應(yīng)。CO2加氫合成甲醇的基元反應(yīng)路徑有兩條(圖3):反水汽變換(RWGS)+CO加氫路徑;甲酸(formate)路徑。
圖2 Cu與a-ZrO2之間相互作用形成CuxZryOz的機理[24]
圖3 CO2合成甲醇基元反應(yīng)路線圖[31]
Guo 等[38]考察了Cu 摻雜的CeO2(111)表面[Cu/CeO2(111)]的吸附性質(zhì)、活化能和反應(yīng)路徑。經(jīng)過Cu摻雜的CeO2(111)表面被扭曲,臨近Cu的Ce O鍵強減弱,但其形成空缺位的能力不如CeO2(111);該表面的非完美性可促進CO2吸附,經(jīng)表面電荷與能帶分析,CO2在Cu/CeO2(111)表面的穩(wěn)定吸附主要歸因于CO2與表面O 原子之間的相互作用;在Cu/CeO2(111)表面,CO2的活化路徑主要經(jīng)由COOH*發(fā)生,而Cu(111)表面的HCOO*路徑則不易發(fā)生。
負載型Cu/CeO2催化劑同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的甲醇合成性能,金屬載體相互作用可降低Cu和Ce的還原溫度,在催化劑表面形成氧空位;Cu-Ce界面存在多功能位點,包括被部分還原的Ce(Ce3+/Ce4+)和被部分氧化的Cu(Cu0/Cu+),其協(xié)同作用對CO2制甲醇反應(yīng)至關(guān)重要。Cu/CeO2對CO2的活化能力與CeO2的形貌直接相關(guān),這是由于不同形貌的CeO2所暴露的晶面不同,進而影響了Cu-CeO2的相互作用。見圖4,CeO2納米棒主要暴露(100)和(110)晶面,納米顆粒主要暴露(111)晶面,而納米立方體主要暴露(100)晶面。Cui等[39]研究發(fā)現(xiàn),Cu/CeO2納米棒具有比Cu/CeO2納米顆粒和Cu/CeO2納米立方體更強的金屬載體相互作用,更有利于CO2活化加氫。Ouyang 等[40]考察了Cu/CeO2催化劑中CeO2的微觀形貌對CO2合成甲醇的影響,結(jié)果表明,CeO2納米棒有助于Cu的分散,表現(xiàn)出與Cu最強的相互作用,可獲得最高的催化活性和甲醇收率。
反向CeO2/Cu(111)模型表面被深入研究且獲得了界面相互作用機理,然而,正相(與催化劑組成一致)Cu/CeO2的表面及負載型催化劑的微觀結(jié)構(gòu)及其在反應(yīng)氣氛下的變化尚待深入討論;負載型催化劑表面的反應(yīng)路徑及相應(yīng)的影響因素仍待深入考察,其制備方法、配方仍待進一步優(yōu)化。
TiO2是一種優(yōu)秀的光催化劑載體,由于其也具有氧化還原性,被應(yīng)用于CO2催化加氫反應(yīng)中。早在20世紀末,Bando等[41]就發(fā)現(xiàn),Cu/TiO2表現(xiàn)出比Cu/SiO2和Cu/Al2O3更高的甲醇合成速率,根據(jù)原位紅外的分析,Cu-TiO2的協(xié)同作用促進了氫的活化,并加速了甲酸基的加氫反應(yīng)。與ZrO2相似,TiO2的存在可提高Cu 的分散度,并使表面Cu 更容易還原;Cu 的比表面積與TOF 正相關(guān),但并不是線性相關(guān)的,這意味著Cu-TiO2的相互作用對甲醇合成的活性有貢獻[42]。這種相互作用后來被Kim 等[42]證實,他們發(fā)現(xiàn),Cu-TiO2的SMSI 在200℃還原下就可以發(fā)生,催化劑表面形成部分還原的TiOx和Cu離子。此外,Boccuzzi 等[43]也發(fā)現(xiàn),提高還原溫度可降低Cu 的比表面積,但催化劑表面出現(xiàn)了一些單分散的Cu 原子,可能是SMSI 造成的TiO2在Cu表面的大面積包覆。
圖4 不同形貌的Cu/CeO2的TEM圖[39]
關(guān)于Cu/TiO2催化CO2合成甲醇的機理的報道較少。Schlexer 等[44]考察了Cu10/TiO2(101)銳鈦礦表面的CO2初始活化步驟,結(jié)果表明,CO2在Cu表面的吸附強度很弱,即使TiO2被部分還原后,其吸附強度也沒有改善;當(dāng)有表面H存在時,CO2以色散力在Cu-TiO2界面處吸附;因此,他們推測CO2在Cu10/TiO2(101)表面的反應(yīng)機理為Eley-Rideal 機理,即H2分子首先在表面吸附并發(fā)生解離反應(yīng),表面吸附的氫原子直接與氣相CO2反應(yīng)。Ferrah 等[45]在反應(yīng)過程中采用原位檢測時,發(fā)現(xiàn)Cu/TiO2表面存在大量HCOO*,但由于HCOO*不利于催化劑穩(wěn)定,因此可以認為,Cu/TiO2與Cu/ZrO2類似,甲醇也主要通過路線I 生成;通過實驗比較,發(fā)現(xiàn)在催化CO2合成甲醇過程中,Cu/TiO2的活性與選擇性均不如Cu/ZrO2,這與CO2*、CO*、HCO*和H2CO*在金屬-氧化物界面處的吸附能直接相關(guān)。
近年來,人們對TiO2的形貌展開了研究,并發(fā)現(xiàn)銳鈦礦(001)面有助于Cu 與TiO2形成SMSI。Bao等[46]制備了銳鈦礦TiO2(001)納米片為載體的Cu/TiO2,通過探究銅負載量、煅燒溫度和還原氣氛的影響,發(fā)現(xiàn)低煅燒溫度無法促進Cu2+向TiO2晶格遷移,而高煅燒溫度會破壞(001)面,二者都會導(dǎo)致Ti3+含量低,且高煅燒溫度和強還原氣氛將導(dǎo)致Cu的晶體尺寸變大;經(jīng)過分析認為,適量的Ti3+和大比表面積Cu有助于CO2的吸附和活化,進而有利于甲醇合成反應(yīng)。Liu 等[47]發(fā)現(xiàn)Cu/TiO2(納米管)比Cu/TiO2(納米顆粒)更有利于CO2加氫,還原后的Cu/TiO2(納米管)發(fā)生了表面結(jié)構(gòu)重構(gòu),部分TiOx遷移至Cu 表面(SMSI),形成了大量的Ti3+和氧空位,雖然Ti3+位點的活性與TiO2活性相當(dāng),并沒有促進CO2活化,但是暴露的Cu有助于TiOx對CO2進行活化,因此其活性位點位于Cu O Ti的界面處;形貌的影響主要來源于TiO2納米管表面主要暴露的是銳鈦礦(001)面,該表面更容易出現(xiàn)氧空位。
目前,文獻報道的關(guān)于Cu/TiO2的研究尚不充分,研究中所使用TiO2多為銳鈦礦或商業(yè)TiO2(P25),不同晶相、不同晶面、形貌的影響尚待考察;隨著先進的原位表征技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)睦碚撃P偷陌l(fā)展,Cu與TiO2界面的相互作用尚待深入探究。
SiO2和Al2O3是常用的傳統(tǒng)催化劑載體,早在20世紀末就被應(yīng)用于CO2加氫催化反應(yīng)中。作為傳統(tǒng)的催化劑載體,SiO2具有酸堿性可調(diào)控、孔道結(jié)構(gòu)豐富、熱穩(wěn)定性良好等特性[48],很多學(xué)者通過Cu/SiO2研究活性組分Cu 在催化劑表面的狀態(tài)及反應(yīng)中間體,如Wang 等[49-50]通過制備高性能和長壽命Cu/SiO2納米催化劑證明了Cu+是CO2活化和轉(zhuǎn)化的主要活性組分。Al2O3是商用Cu-Zn-Al 催化劑中廣泛使用的良好載體,它不僅可以與ZnO形成鋁酸鋅來防止活性位團聚,而且其無序性和表面缺陷區(qū)可以促進CO2的吸附和活化[48]。
近年來,復(fù)合氧化物載體在CO2加氫反應(yīng)中受到了廣泛關(guān)注。在Cu/ZnO 中添加ZrO2形成Cu-ZnO-ZrO2三元催化劑,其表面所形成的ZnO-ZrO2界面可提高CO2吸附能力,并將碳酸鹽物質(zhì)氫化成反應(yīng)中間體(甲酸酯和甲氧基),其甲醇收率高于相應(yīng)的二元催化劑(Cu/ZnO 或Cu/ZrO2)[51]。CeO2和ZrO2的相互作用對多種反應(yīng)都有促進作用,據(jù)Shi 等[52]報道,將Zr4+引入Cu/CeO2會導(dǎo)致Ce3+的形成,促進氧空位的形成;與相應(yīng)的二元催化劑相比,三元Cu-CeO2-ZrO2催化劑的弱堿位和中堿位明顯增加。Cu-CeO2-ZrO2催化劑獨特的性質(zhì)可提高CO2加氫反應(yīng)中甲醇的產(chǎn)率,這是由于催化劑表面所形成的Ce3+-O-Zr4+物種具有較高的氫吸附能力和更多Br?nsted酸性位點。
鈣鈦礦型氧化物由于具有高活性和熱穩(wěn)定性,引起了廣泛關(guān)注。鈣鈦礦通式為ABO3,通過還原鈣鈦礦型前體可以實現(xiàn)“金屬氧化物”催化劑的高分散性[53],B 位陽離子可以還原為負載在A 位陽離子氧化物上的高分散金屬活性位點,這為CO2催化加氫反應(yīng)提供了理想的催化劑前體[54]。
對氧化物載體進行修飾也可達到一定的促進效果,如Chen 等[55]通過添加錒系金屬Th 來提高催化劑的分散性和穩(wěn)定性;而采用K[56]、Ba[56]、La[57-58]和Ca[59]等堿性氧化物改良載體,可通過提高CO2的吸附強度達到較高的催化加氫活性。
基于前人的實驗研究,本文總結(jié)了近年來不同Cu基催化劑載體對CO2加氫合成甲醇的影響,如表1所示。該表總結(jié)了催化劑的類型、溫度、壓力和制備方法對CO2轉(zhuǎn)化率(%)、MeOH 選擇性(%)和時空收率STY[mmol/(mol·s)]的影響。由表1可知,單一氧化物載體的Cu 基催化劑受制備方法的影響較顯著,浸漬法所獲得的催化劑金屬-載體的相互作用界面較少,因而表現(xiàn)出較低的甲醇合成活性;復(fù)合氧化物載體的Cu 基催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的甲醇合成性能,其中,ZnO-ZrO2復(fù)合氧化物載體得到了廣泛關(guān)注;含Cu 鈣鈦礦催化劑雖然也表現(xiàn)出一定的甲醇合成活性,但其性能略差于其他氧化物載體所負載的Cu 基催化劑。雖然通過催化劑的優(yōu)化可以一定程度提高CO2轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性,但在工業(yè)上仍然存在循環(huán)氣量較高的問題。
表1 Cu基催化劑載體對CO2加氫合成甲醇的總結(jié)
本文對Cu基CO2加氫催化劑載體進行了總結(jié),重點綜述了ZnO、ZrO2、CeO2和TiO2這4 種具有氧空位的載體,并簡單總結(jié)了SiO2、Al2O3、Zn-Zr、Ce-Zr、鈣鈦礦等其他氧化物載體。目前,對于ZnO 與Cu 界面的微觀結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機理研究得較充分;對Cu/ZrO2的研究主要集中在ZrO2晶相的影響,不同的研究者所獲得的結(jié)論尚存在爭議;對Cu/CeO2的機理研究僅停留在反向CeO2/Cu(111)模型表面,對正向表面和負載型催化劑的研究尚待深入;Cu/TiO2中TiO2的影響因素較多,如晶型、晶面等,目前對其研究尚不全面。氧化物載體與Cu 之間的相互作用、CO2的活化位點、表面反應(yīng)機理、表面反應(yīng)路徑直接影響CO2催化加氫的產(chǎn)物分布,因此,探明不同金屬-載體的相互作用和界面微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要?;谝陨峡偨Y(jié)分析,本文提出以下幾個未來研究方向。
(1)探究與實際催化劑一致的正向模型表面吸附性能、反應(yīng)路徑與反應(yīng)機理,探明不同金屬-載體界面CO2催化加氫制甲醇的活性位點;
(2)根據(jù)表面模型所探明的活性位點,理性設(shè)計并可控地制備高活性催化劑,并采用先進的原位表征手段對其微觀結(jié)構(gòu)進行表征和分析;
(3)對復(fù)合氧化物載體的微觀結(jié)構(gòu)進行深入探究,采用DFT 理論計算構(gòu)建表面模型,利用高性能計算平臺篩選合適的多元復(fù)合物載體。
隨著人們不斷深入地研究,相信在不久的將來,定會有大量的高效與低成本相結(jié)合的新型Cu 基催化劑載體出現(xiàn)并且工業(yè)化,也帶動CO2催化加氫技術(shù)提升到一個更新更高的水平,更寬更深的領(lǐng)域。