催化学报 ›› 2023, Vol. 49: 168-179.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64439-0

• 论文 • 上一篇    下一篇

Cu/CeO2上可见光辅助热催化合成NH3: H2O存在下NO通过CO还原的途径

宋昕杰a,b, 范世鹏a,c, 蔡泽华a,c, 杨洲a,c, 陈旬a, 付贤智a,*(), 戴文新a,b,*()   

  1. a福州大学光催化能源与环境国家重点实验室光催化研究所, 福建福州 350002
    b清源创新实验室, 福建泉州 362801
    c生态材料高等技术重点实验室(福州大学), 福建福州 350002
  • 收稿日期:2023-03-15 接受日期:2023-04-04 出版日期:2023-06-18 发布日期:2023-06-05
  • 通讯作者: *电子信箱: daiwenxin@fzu.edu.cn (戴文新),xzfu@fzu.edu.cn (付贤智).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21872030);国家自然科学基金(22272025);清源创新实验室重点项目(00121001);福建省科技重点计划项目(2021YZ037005)

NH3 synthesis via visible-light-assisted thermocatalytic NO reduction by CO in the presence of H2O over Cu/CeO2

Xinjie Songa,b, Shipeng Fana,c, Zehua Caia,c, Zhou Yanga,c, Xun Chena, Xianzhi Fua,*(), Wenxin Daia,b,*()   

  1. aResearch Institute of Photocatalysis, State Key Laboratory of Photocatalysis on Energy and Environment, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian, China
    bQingyuan Innovation Laboratory, Quanzhou 362801, Fujian, China
    cKey Laboratory of Eco-materials Advanced Technology (Fuzhou University), Fujian Province University, Fuzhou 350002, Fujian, China
  • Received:2023-03-15 Accepted:2023-04-04 Online:2023-06-18 Published:2023-06-05
  • Contact: *E-mail: daiwenxin@fzu.edu.cn (W. Dai), xzfu@fzu.edu.cn (X. Fu).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21872030);National Natural Science Foundation of China(22272025);Key Program of Qingyuan Innovation Laboratory(00121001);Science & Technology Key Plan Project of Fujian Province(2021YZ037005)

摘要:

NH3不仅是关键的工业化学原料, 而且是未来可再生能源的无碳燃料和可运输的载体. 目前, 工业合成NH3仍然以传统的Haber-Bosch反应为主, 需要300‒500 °C的高温和20‒30 MPa的压力. 为克服这些缺点, 研究者设计了NO-CO-H2O反应体系. 在该反应中, 通过有毒气体CO在H2O存在的条件下将NO还原成NH3, 这是一种近乎理想的生产NH3的方法. 目前, 已经报道了Pt/Al2O3在NO-CO-H2O反应中具有较高的NH3选择性, 但反应温度(400 °C)仍然较高, 不利于实际应用. 因此, 在低温条件下引入光照, 通过光辅助热催化NO-CO-H2O反应来获得NH3产品, 是一种极具发展潜力的方法.

研究人员通过密度泛函理论(DFT)研究发现, Cu在NO还原反应中具有很高的活性和NH3选择性, 且Cu在水煤气(CO+H2O)变换反应中具有较高的活性. CeO2具有丰富氧空位同时能充当碳酸盐的储存位点, 还可以起到稳定分散铜的作用. 因此, 本文将具有局域表面等离子体共振(LSPR)效应的金属Cu负载在具有氧空位的棒状CeO2上形成Cu/CeO2纳米复合材料, 并研究了其催化NO-CO-H2O反应性能. 结果表明, Cu/CeO2不仅在100‒270 °C下表现出较好的CO和NO去除效率, 且可以选择性地催化还原NO为NH3. 其中, 5% Cu/CeO2表现出最优催化活性, 210 °C时NO转化率为94.4%和NH3选择性为66.5%. 在相同温度下, 可见光可以进一步提高NO转化率(97.7%)和NH3选择性(69.1%). 通过对NO-CO-H2O反应进行分步活性测试, 发现该反应的主要过程由水煤气变化反应生成活性H*及其进一步与NO发生选择性催化还原反应两部分组成. 准原位电子顺磁共振、原位漫反射傅立叶变换红外光谱和密度泛函理论计算表明, 在Cu/CeO2上NO-CO-H2O的反应机理是CO首先与H2O反应形成HCO3*中间物, 然后分解成CO2和活性H*, 最后NO与活性H*反应产生NH3. 而可见光诱导Cu的LSPR效应能有效地将催化剂的光吸收范围拓宽至可见光, 同时其产生的热电子能有效提高催化剂表面电子密度, 从而促进了HCO3*分解为CO2和活性H*; 另外, 在CeO2上再生了氧空位(H2O的活化点), 进而增加了NH3产量. 综上, 本文提供了一种在温和条件下合成NH3的可行性方法, 能为合成NH3工艺提供一种新途径.

关键词: NO-CO-H2O反应, NH3合成, 局域表面等离子体共振, 氧空位, Cu/CeO2

Abstract:

A photothermal catalytic system comprising Cu/CeO2 was applied to the reaction between NO, CO and H2O for the production of NH3 under visible-light irradiation. High NO conversion (94.4%) and NH3 selectivity (66.5%) were achieved over Cu/CeO2 in the presence of H2O at 210 °C. Visible light further improved the conversion of NO (97.7%) and selectivity for NH3 (69.1%). The quasi-situ EPR and in-situ DRIFTS results indicated that CO initially reacts with H2O to form an HCO3* intermediate, which then decomposes into CO2 and activated H*. Finally, NO reacts with activated H* to produce NH3. The localized surface plasmon resonance effect of Cu nanoparticles induced by visible light promotes the decomposition of HCO3* to CO2 and H*, while regenerating oxygen vacancies (OVs, H2O activation sites) at the CeO2 sites, resulting in enhanced NH3 production. This study offers a convenient approach for NH3 production under mild conditions.

Key words: NO-CO-H2O reaction, NH3 production, Localized surface plasmon resonance, Oxygen vacancies, Cu/CeO2