二氧化碳 （CO₂） 是一种温室气体，通过在大气中积聚在气候变化中发挥着重要作用。为了减轻其影响，将 CO₂ 转化为有益的碳产品是一种可行的策略。最近的一项研究通过使用β相碳化钼（β-Mo₂C）纳米颗粒作为催化剂，锚定在二氧化硅（SiO₂）载体上，探索了这种方法。这种方法加速了 CO₂ 转化为一氧化碳 （CO），这是一种可用于生产其他重要化合物的宝贵气体。

CO₂ 是一种非常稳定的分子，这使得将温室气体转化为其他分子具有挑战性。催化剂可用于化学反应，以降低形成或破坏化学键所需的能量，并用于反向水气位移 （RWGS） 反应，将 CO₂ 和氢气 （H₂） 转化为 CO 和水 （H₂O）。重要的是，反应产生的 CO 气体与 H₂ 结合时称为合成气或合成气，可用作碳源来产生其他重要化合物。

催化剂技术的进步

RWGS反应中的传统催化剂由贵金属制成，包括铂（Pt）、钯（Pd）和金（Au），这限制了反应的成本效益。正因为如此，开发了新的催化剂材料和形成方法，以提高RWGS反应作为降低大气CO₂和产生合成气的手段的实用性。

为了解决传统RWGS催化剂的成本问题，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一组研究人员研究了更便宜的纳米颗粒β-Mo₂C催化剂在SiO₂载体上的形成和催化活性，以确定低成本催化剂是否可以提高RWGS反应中氧化二氧化硅载体的β-Mo₂C的活性水平。

上面左图描绘了SiO₂（β-Mo₂C/SiO2）上支持的β-Mo₂C纳米颗粒。右图表示 β-Mo₂C/SiO2 在 RWGS 反应中 CO 生成速率中增加的催化活性，与块状 β-Mo₂C 相比，由黑条表示。每根柱形代表基于SiO₂载体质量的不同百分比的Mo₂C负载重量。该数据的催化活性是在400°C下测量的。 图片来源：清华大学出版社《碳未来》

该团队于4月30日在《碳未来》上发表了他们的研究。

“社会正在向碳中和经济迈进。二氧化碳是一种温室气体，因此任何能够分解该分子中的碳氧化键并将碳转化为增值化学品的技术都可能引起人们的极大兴趣。一种重要的C1化学物质是一氧化碳，它是生产一系列产品的重要原料，如合成燃料和维生素A，“伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与生物分子工程系Alkire讲座教授、该论文的资深作者Hong Yang说。

催化剂结构和有效性

具体来说，研究人员合成了吸收到SiO₂载体（β-Mo₂C / SiO₂）上的β-Mo₂C纳米颗粒催化剂。SiO₂载体的非晶态结构对β-Mo2C/SiO2催化剂的纳米颗粒形成、活性和稳定性至关重要。该团队还测试了铯（Ce）、镁（Mg）、钛（Ti）和铝（Al）氧化物作为电位载体，但SiO₂上的催化剂在650°C的温度下产生了最佳的催化剂形成。

“看来无定形二氧化硅的无序性质，其行为类似于催化剂纳米颗粒的胶水，是我们成功实现高金属负载和相应的高活性的关键因素，”伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校化学与生物分子工程系的研究生Siying Yu说。

重要的是，SiO₂催化剂载体结构使β-Mo2C的催化活性比块状β-Mo₂C提高了8倍。即使催化活性有所提高，β-Mo₂C/SiO₂催化剂在RWGS反应中仍表现出较高的CO转化率和β更高的稳定性。

“我们工作的一项重大发现是生产由碳化钼纳米颗粒制成的高金属负载催化剂的新工艺。这种金属碳化物催化剂是为以高生产率和选择性将二氧化碳转化为氧化碳而开发的，“伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校化学与生物分子工程系前研究生，该论文的第一作者Andrew Kuhn说。

研究人员在有利于转化为CO气体的反应条件下进行了研究，H_²：CO₂的比例等于1：1。该比率与更常用的低于 3：1 的比率不同。反应也在300至600°C的温度下进行。 在这些条件下，该团队生产了更浓缩的一氧化碳，这对于下游化合物合成更有效。

该团队将这项研究视为其他催化剂的起点，这些催化剂利用支持结构来增加活动。“我们在高负载下合成相纯金属碳化物纳米材料的能力为开发用于 CO₂ 利用过程的新型催化剂打开了大门，”Yang 说。“我希望通过对这种催化剂的合成-结构-性质关系的深入研究，我们将很快发现新的、重要的应用，用于二氧化碳的增值转化和经济的可持续发展。”

参考资料：“使用氧化物负载的碳化钼通过反向水气变换反应将二氧化碳增值成 C1 产物”，作者：Andrew N. Kuhn、Rachel C. Park、Siying Yu、Di Gao、Cheng Zhang、Yuanhui Zhang 和 Hong Yang，2024 年 4 月 30 日，Carbon Future。
DOI： 10.26599/CF.2024.9200011

其他贡献者包括来自伊利诺伊州厄巴纳市伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与生物分子工程系的Rachel Park、Di Gao和Cheng Zhang;以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校农业与生物工程系的Yuanhui Zhang。

这项研究得到了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校启动基金的支持。