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Science Advances:超薄CoO纳米片可实现CO2直接加氢制乙酸

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将二氧化碳(CO2)直接加氢转化为乙酸(一种重要的化工原料),为温室气体资源化利用提供了一条可持续路径。然而,该过程长期受到CO2惰性、热力学障碍以及C-C偶联选择性差而易发生过度加氢等问题的困扰。基于此,天津大学巩金龙教授和南京大学杨成升助理教授(共同通讯作者)等人设计并合成了一种超薄氧化钴(CoO)纳米片(厚度小于4 nm),其可在温和条件下实现CO2一步法直接加氢生成乙酸,选择性超过90%,副产物极少,产率创历史记录,优于传统的多步工艺(如CO2先转化为CO/甲醇,再进行羰基化)。这种二维(2D)结构具有延展的台阶表面,在CO2/H2混合气中可原位重构为类似碳酸钴(II)氢氧化物的相态,稳定Co2+并生成大量羟基,从而优化CO2活化和选择性C-C偶联,同时抑制过度还原反应。


图1. H2和CO2合成乙酸的热力学分析

原位表征技术,包括电子能量损失近边结构、空间分辨红外光谱以及动力学/同位素分析,揭示了重构相在调控电子密度以实现更高产率中的作用,并证实了一种传统催化剂无法实现的甲酸耦合机制。本研究提出了一种CO升级的新范式:利用动态表面重构和纳米尺度形貌来实现难以捉摸的多碳反应路径,对可持续化学合成具有重要意义。


图文解读

通过改进的溶剂热法,作者合成了厚度可调的超薄CoO纳米片。通过调节前驱体溶液中乙二醇(EG)与水的溶剂比例,制备出厚度约4 nm(仅含EG)至约6-8 nm(EG/H2O混合物)的CoO纳米片,记为Co-NS(x),其中x表示厚度。原子力显微镜(AFM)测定CoO纳米片厚度在约4-8 nm之间,样品间高度偏差均小于0.2 nm。


图2.形态表征和催化CO2加氢性能

在CO2加氢条件下(通常200 °C、50 bar,H2: CO2=3: 1),在釜式反应器中评估CoO纳米片催化性能价。在稳态条件下,Co-NS(4)实现了约20%的一步CO₂转化,主要产物为乙酸,副产物极低,乙酸时空产率(STY)最高达到1.8 mmol g-1 h-1,选择性超过90%,远超大多数文献报道值。在碳选择性方面,CO、CH4和甲醇的生成均被抑制在<5%。较厚的Co-NS(8)表现出较低的乙酸选择性(约25%),且STY约为0.25 mmol g-1 h-1,同时甲酸比例更高;而Co-NP主要促进甲醇或甲酸的生成,C2产物几乎可忽略不计。结果表明,该反应中存在明显的有限尺寸效应,2D表面结构具有显著优势,较薄的纳米片能有效提升C-C键合效率。


图3.原位结构演化

表面积归一化产率揭示Co-NS(4)优势:在相同条件下,Co-NS(4)的乙酸产率达到约0.08 mmol m-2,比Co-NS(8)高出近4倍,比Co-NP(乙酸产率<0.02 mmol m-2)高出3倍以上。此外,Co-NS(4)在10次循环测试中表现出稳定的性能,未出现明显失活现象,并保持一致的乙酸选择性特征)。这种稳定性表明,在长时间反应过程中,纳米片上的活性相得以维持。

作者利用Co L-edge的电子能量损失谱学(ELNES)发现,白线强度比值(L3/L2)可作为钴价电子数的指纹特征,Co-NS(4)的L3/L2比值高于Co-NS(8),其价电子数约为7.02,表明其处于高场环境中的Co阳离子状态。通过不同样品的反应性能和乙酸产率,与Co的价电子数进行关联分析,呈现出负相关且近乎线性的关系,直接表明电子结构与催化活性之间存在联系。


图4.原位光谱法鉴定表面中间体

在CO2/H2中反应CO-NS(4)后,C 1s XPS谱在约289.5 eV处出现一个显著峰,其强度远高于Co-NS(8)和Co-NP,表明表面富集了甲酸、乙酸或碳酸物种。原位红外光谱(IR)显示,Co-NS(4)在1500-1700 cm-1及约1300-1400 cm-1范围内表现出明显的特征峰,分别对应于表面羧酸盐的不对称与对称伸缩振动。值得注意的是,Co-NS(4)的乙酸/甲酸比值明显高于Co-NS(8);在Co-NS(8)中,甲酸信号较弱,而乙酸信号仅略高于噪声水平。


图5.表面中间体的空间映射

原位IR光谱跟踪显示,随着时间推移,甲酸盐在Co-NS(4)上出现于甲酸之后,表明甲酸盐是甲酸的前体。而Co-NS(8)表现出较低的甲酸盐覆盖度,几乎未检测到甲酸。原位IR光谱验证了H2O的作用:共供水增强了Co-NS(4)上的乙酸基团峰,但对Co-NS(8)无影响,表明H2O或由其产生的表面羟基可能作为氢转移的媒介参与反应;而H2O带来的极性环境促进了乙酸合成中的C-C偶联反应。例如,用极性更高的二甲基甲酰胺(DMF)取代极性水后,乙酸的生成速率提高了10倍(约36 mmol g-1 h-1),产率与传统甲醇羰基化相当。非极性的环己烷(CYH)显著降低了活性,几乎未产生乙酸。

作者提出了超薄CoO纳米片上CO2加氢生成乙酸的反应路径:1)CO2在Co2+表面位点吸附并活化,形成含表面-OH的CO2δ-中间体(即碳酸盐或碳酸氢盐中间体);2)吸附的CO2初步加氢,生成表面甲酸物种(*HCOO结合Co);3)C-C偶联步骤:一个甲酸可进一步还原为甲酰(*CHO)/*CHx,随后与邻近的甲酸结合,直接生成乙酸物种(*CH₃COO),该过程由台阶状临近结构和-OH质子化所促进;4)表面的乙酸中间体被质子化(可能是由再生的-OH基团中的氢重新结合所致),生成乙酸。


图6. H2O对乙酸合成的影响

文献信息

Ultrathin CoO nanosheets enable direct CO2 hydrogenation to acetic acid. Sci.Adv., 2026, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg1076.

(来源:网络版权属原作者 谨致谢意)

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