可在室溫下將二氧化碳轉換為甲醇的觸媒

 

刊登日期:2023/5/10
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東京工業大學開發了一項即使是在0.9 MPa的壓力、25 ℃的反應溫度(室溫)等極其溫和的條件下,亦可利用二氧化碳與氫氣合成出甲醇(CH3OH)的觸媒。研究團隊是將鈀(Pd)與鉬(Mo)交互層疊而成之六方最密堆積(Hexagonal Close Packing; HCP)結構的金屬間化合物負載於在氮化鉬上,催化二氧化碳的氫化反應。金屬間化合物的製造方法也很簡單,只需在氨氣氛中燒製兩種金屬的氧化物前驅體即可。此外,負載鈀奈米粒子的觸媒即使是在反應沒有進展之100℃以下的溫度範圍內,亦可表現出活性。

甲醇是C1化學品的原料,除了與其他1個碳原子相互轉換或合成碳原子2個以上的化合物之外,並可望適用做為能源載體(Energy Carrier)。而二氧化碳氫化合成甲醇的反應為放熱反應,基本上適用於省能源的低溫條件,然而二氧化碳是強雙鍵,因此對於能以更實用的溫和條件進行操作之甲醇合成觸媒有其需求。

新開發的觸媒是透過在氮源的氨氣氛中將Pd與Mo以1:1.08以下的比例燒製出交互堆疊成具有六方最密堆積結構的金屬間化合物,並將金屬間化合物負載於氮化鉬觸媒後製作而成hcp-PdMo/Mo2N觸媒。經過觸媒活性調查後,確認利用hcp-PdMo/Mo2N觸媒從60℃以上二氧化碳的氫化開始進行,且透過進一步加壓,活性隨之提高,在0.9 MPa狀態下,即使在25℃的室溫下,亦可確認到50小時以上甲醇的間歇生成。

另一方面,hcp-PdMo/Mo2N觸媒的表觀活化能推估為27 kJ mol-1,不到Pd/Mo2N觸媒(78 kJ mol-1)的一半。透過反應機制分析,可知二氧化碳首先在hcp-PdMo上分解為一氧化碳,且藉由一氧化碳的氫化進而形成了甲醇。此時,Mo發揮了一氧化碳活性化位點的作用,而Pd則做為氫活性化位點發揮機能性,彌補了Mo較低的氫活性化能力。由此可知,Mo與Pd交互排列的hcp-PdMo層狀結構是一種具有兩種不同作用的位點彼此相鄰而可發揮高觸媒活性的有效結構。此次的研究成果雖然只是一項基礎發現,但今後可望有助於促進觸媒設計的新指南開發。


資料來源: https://www.titech.ac.jp/news/pdf/tokyotechpr20230407-hosono.pdf
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