近日,天津大學(xué)、多倫多大學(xué)、香港中文大學(xué)(深圳)的研究團(tuán)隊以乙烷脫氫制乙烯為模型反應(yīng),在自主設(shè)計的熱輻射反應(yīng)器中演示熱輻射催化,引入CO2作為熱輻射接收器,不僅可以提高氣體分子的溫度,還可以增強反應(yīng)分子間的非彈性碰撞。將CO2分子視為催化劑,研究表明CO2接收熱輻射后引發(fā)新的均相氣相乙烷脫氫反應(yīng)路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表于《焦耳》雜志。

根據(jù)普朗克定律,溫度在500～1 000 ℃之間的黑體輻射主要位于1 000～10 000 nm之間的紅外區(qū)域,而該范圍包含大量分子的紅外吸收特征峰。因此,上述熱輻射有望通過調(diào)控溫度進(jìn)而控制其光譜分布,并選擇性地影響分子在高溫條件下的運動狀態(tài),進(jìn)而促進(jìn)熱輻射催化反應(yīng)的進(jìn)行。利用熱輻射將光催化耦合至熱反應(yīng)過程中將具有重要意義。

該研究團(tuán)隊通過理論模擬證實熱輻射激發(fā)CO2和乙烷特定振動模式可降低C—H鍵解離能,實現(xiàn)優(yōu)先C—H斷鍵的新乙烷脫氫路徑。實質(zhì)上,乙烷脫氫是通過熱輻射振動能量傳遞引發(fā)的,而熱輻射振動能量傳遞又通過乙烷和CO2分子之間的非彈性碰撞發(fā)生,促使乙烯選擇性達(dá)到99.26%,反應(yīng)速率提高120%。通過分子動力學(xué)(AIMD)模擬驗證CO2和乙烷之間的反應(yīng),證實乙烷的H原子在碰撞后可以被CO2捕獲。

該研究可為低成本光源的熱輻射催化合成乙烯提供借鑒。