晋中学院刘雅杰团队J. Catal.：缓释催化策略助力逆水煤气变换

逆水煤气变换（RWGS）反应是CO₂转化利用的重要途径，也是CO₂加氢生成其它高附加值化学品的关键中间步骤，例如CO₂加氢制甲醇、高碳醇类和其他液体燃料等。基于RWGS反应的催化剂研究涉及贵金属类和非贵金属类催化剂，其中，铜基催化剂因其高活性、高CO选择性和低成本而被广泛研究。

近日，晋中学院刘雅杰副教授（点击查看介绍）研究团队通过一种高能球磨法合成了具有尖晶石结构的Cu-Al氧化物催化剂，采用缓释催化策略应用于RWGS反应。结果表明，计量CuAl₂O₄尖晶石比Cu-Al固溶体和负载型CuO/γ-Al₂O₃表现出更高的催化活性。在300-400 °C的反应温度下，计量CuAl₂O₄尖晶石取得了1.9×10^-5mol/g_cat/s的转换频率，且在180 h的反应时间内保持催化活性相对稳定（图1）。

图1. Cu-Al尖晶石催化剂对RWGS的催化性能。图片来源：J. Catal.

缓释催化是指在反应过程中原位缓慢释放活性金属，相比预还原处理的方法，缓释催化策略提供了长期的活性金属补充，有效延缓和降低了活性金属的烧结程度。表征结果显示，在反应气氛下，Cu可以从尖晶石晶格中释放出来形成Cu纳米粒子，留存缺陷尖晶石结构中Al的配位分布会发生重排，且其表面生成丰富的表面羟基。Cu纳米粒子和表面羟基能够活化H₂和CO₂，生成单齿甲酸盐和双齿甲酸盐中间体，这些中间体最终解离生成产物CO。进一步的实验证明，位于尖晶石六配位Al上的单齿甲酸盐（m-HCOO*-Al^VI）具有优异的解离性能，容易解离生成CO，对于RWGS反应的贡献较大（图2）。

图2. 基于计量尖晶石CuAl₂O₄催化剂的原位DRIFTS谱图。图片来源：J. Catal.

基于以上结果提出的CuAl₂O₄缓释催化RWGS的反应机理示意图见图3。

图3. 尖晶石CuAl₂O₄缓释催化RWGS的反应机理示意图。图片来源：J. Catal.

缓释催化概念最初是基于铜基尖晶石催化甲醇水蒸气重整制氢的研究提出的（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 11886; Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 5069; ChemCatChem, 2018, 10, 5698; Chem. Commun. 2018, 54, 12242; Int. J. Hydrogen Energy, 2019, 45, 477; Fuel, 2021, 284: 119041; Appl. Catal. B: Environ. 2023, 323: 122043），本工作成功将缓释催化概念应用于RWGS反应，一方面丰富了铜基催化剂对CO₂加氢体系的应用研究，另一方面扩展了缓释催化概念在催化反应中的应用。

该研究受到编辑和审稿人的一致认同，于近期发表在Journal of Catalysis 上，论文第一作者为中国科学院大学（山西煤化所）博士生康荷菲，通讯作者为晋中学院刘雅杰副教授。该研究得到了国家自然科学基金（22202093, 21673270, 22078351, 22072173）和山西省青年科技研究基金（20210302123358）的经费支持。感谢高志贤研究员对缓释催化系列成果的引领贡献，感谢葛晖副研究员和樊卫斌研究员对于本研究的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Exploring the sustained release catalysis of CuAl₂O₄ spinel for highly effective CO₂ conversion to CO 

He-Fei Kang, Ya-Jie Liu,* Ye Lu, Peng Zhang, Ming-Xing Tang, Zhi-XianGao, Hui Ge, Wei-Bin Fan

J. Catal., 2024, DOI: 10.1016/j.jcat.2024.115427

刘雅杰副教授简介

刘雅杰，晋中学院副教授，主要研究方向是基于缓释催化理论的铜基催化剂在甲醇制氢、CO₂转化等领域内的研究；作为项目负责人承担国家自然科学基金青年基金、山西省青年科技研究基金以及山西省高等学校科技创新项目，作为研究骨干参与完成国家自然科学基金面上项目和青年项目各1项；发表学术论文30余篇，其中以第一作者&通讯作者在Appl. Catal. B: Environ.、J. Catal.、ChemCatChem、Catal. Sci. Technol.等国内外学术期刊发表论文12篇，授权发明专利2项；主讲化工热力学。

课题组网站：

https://www.x-mol.com/groups/Ya-Jie_Liu