CO2和H2O光熱轉化制烯烴取得新進展｜山西煤化所覃勇團隊

人工光合作用能夠將CO2和H2O轉化為碳氫化合物，是實現碳循環的新途徑。如何將CO2轉化為低碳烯烴等高值化學品是目前研究的熱點和難點。

中科院山西煤炭化學研究所覃勇研究團隊利用原子層沉積技術製備出一種TiO2管限域的Cu單原子層團簇催化劑，實現了光熱催化CO2和H2O高選擇性制低碳烯烴。成果以 “Photocatalytic Conversion of CO2 into Light Olefins over TiO2 Nanotube confined Cu Clusters with high ratio of Cu+”為題在Appl. Catal. B: Environ.發表，第一作者為葛會賓博士，通訊作者為覃勇研究員及張斌副研究員。

該工作發展出一種以三甲基鋁和二(六氟乙酰丙酮)銅為前驅體的新型原子層沉積銅方法，並利用該方法結合模板及還原和再氧化的策略，製備出氧化鈦納米管限域Cu單原子層團簇的催化劑。反應溫度和光強的提高都能提高Cu(100)/TiO2-RO催化劑光熱催化CO2和H2O的反應活性，150 ℃時低碳烯烴的選擇性可達60%。過高的光強和溫度不利於低碳烯烴的生成，有效的光熱協同催化是實現高選擇性制烯烴的關鍵。

　　圖1. Cu/TiO2光催化劑製備示意圖

圖2. (a) 溫度對Cu(100)/TiO2-RO催化性能的影響. (b) 銅ALD沉積循環數的影響. (c) Cu(100)/TiO2-RO催化不同反應原料的轉化. C2、 C2=、C3=和 C4=分別為乙烷、乙烯、丙烯和丁烯. (d) Cu+物種比例與烯烴選擇性的關係.

系統控制實驗和表徵表明，零價的銅物種有利於甲烷的生成，低碳烯烴選擇性與Cu團簇中Cu+/(Cu0+Cu+)呈正相關性。TiO2納米管上高分散的Cu+物種能夠控制表面碳物種的加氫，促進碳碳偶聯，提高低碳烯烴的選擇性。