銅價態(tài)分布對CO2加氫制甲醇催化劑的改善策略研究

冼俊杰，高文桂^*，許云添，周嘉斌，陳志遠，納  薇

摘要：研究了低價態(tài)銅分布(Cu⁰/Cu⁺)的銅基催化劑在CO₂加氫制備甲醇中的應用，從低價態(tài)銅(Cu、Cu₂O)的催化機理和改進策略等方面展開綜述，重點對催化劑上Cu⁰/Cu⁺的反應路徑和提高催化性能策略進行了總結(jié)，對存在的問題進行了探究。關(guān)于在合成甲醇過程中反應的活性位點主要有3個觀點，即在Cu⁰-Cu⁺界面上、Cu⁰或Cu⁺上，然而在Cu或Cu₂O表面上加氫制甲醇的最優(yōu)路徑和碳源是不同的。改進策略可以通過改變催化劑表面銅物種的價態(tài)分布和保持其價態(tài)穩(wěn)定，以及不同價態(tài)銅物種與其他金屬氧化物存在密切協(xié)同作用兩方面進行研究。最后對可控復合價態(tài)(Cu⁰/Cu⁺)銅基催化劑做出了預測，并提出可控的復合價態(tài)銅基催化劑能夠根據(jù)碳源和助劑進行選擇，為CO₂加氫制甲醇的催化劑研究創(chuàng)造了一個全新的范例。

關(guān)鍵詞：合成甲醇；銅價態(tài)分布；制備方法；反應機理；金屬間作用力

       將CO₂轉(zhuǎn)化為有價值的綠色能源物質(zhì)或化學品，如甲醇，被認為是回收并減少排放溫室氣體的可持續(xù)、經(jīng)濟的關(guān)鍵步驟。甲醇是一種重要的化工原料，可直接用作內(nèi)燃機和燃料電池的燃料，也是生產(chǎn)化學品和燃料的中間物質(zhì)，還可以作為氫氣儲存和運輸?shù)妮d體。當使用可再生能源生產(chǎn)氫氣時，將CO₂加氫合成甲醇可以成為減少碳排放和實現(xiàn)碳中和碳達標很好的方法。通過開發(fā)高效的催化劑來提高CO₂轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性一直是科學家們面臨的主要挑戰(zhàn)和研究重點。盡管CO₂加氫合成甲醇的技術(shù)已經(jīng)獲得工業(yè)化的成果，但研究人員仍在繼續(xù)努力提高甲醇的最終產(chǎn)率。

       在CO₂加氫反應的催化劑中，銅基催化劑是如今研討最寬泛和深入的一類催化劑。銅基催化劑可以耐高溫高壓，而且生產(chǎn)成本比較低廉，制備難度低。含銅氧化物催化劑對氫化反應有很好的催化能力，包括將有機化合物的羰基和碳氧化物氫化成醇。因此銅基催化劑的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)及其對反應機理的作用，以及進一步影響銅基催化劑的催化選擇性、穩(wěn)定性和活性也是研究的熱點。許多研究人員發(fā)現(xiàn)，銅的表面積和分散度主要影響其催化性能，并且活性與銅表面積之間存在線性關(guān)系，CO₂加氫制甲醇的性能還與CuO的還原性、Cu和氧化物之間的協(xié)同作用以及催化劑的表面堿性有關(guān)。此外，一些文獻指出，Cu⁰具有很高的活性，并且有助于促進電子轉(zhuǎn)移，從而影響CO₂加氫反應的活性。因此，研究銅價態(tài)對CO₂加氫制備甲醇的影響十分重要，有助于提高催化劑的性能和效率。本文中主要討論銅基催化劑中銅價態(tài)對CO₂加氫制備甲醇的機理研究和改進策略。

1 Cu⁰和Cu⁺在CO₂加氫制甲醇中的催化機理

1.1 銅基催化劑在CO₂加氫制甲醇中應用

       目前，對銅基催化劑上甲醇合成的機理認識仍有爭議。CO₂加氫制甲醇公認的路徑主要有2種：甲酸鹽加氫路徑；RWGS+共水路徑。如圖1所示。不管是哪一種路徑，甲醇最終的中間產(chǎn)物都是甲氧基(^*CH₃O)，但對于甲氧基如何轉(zhuǎn)化為甲醇，目前仍缺乏基礎(chǔ)知識。

圖1 CO₂加氫合成甲醇反應路徑示意圖

       在CO₂加氫制備甲醇的反應過程中，各類催化劑會有不同反應路徑，而且催化劑上的活性位點也是重要研究議題。對于銅基催化劑上的活性中心有3種觀點:Cu⁰-Cu⁺界面；Cu⁰；Cu⁺。但對活性位點(金屬Cu、Cu⁰-Cu⁺位點或Cu-ZnO界面)的性質(zhì)和支撐效應仍不清楚。為了闡明活性位點的結(jié)構(gòu)和形成過程，通過各種方法對催化劑進行表征。如Sun等運用X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜(XAFS)研究負載型催化劑結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的動力學/動態(tài)在高溫下的結(jié)構(gòu)演變變化，使用愛因斯坦方程(Einsteinmethod)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)收縮的Cu—Cu鍵距可以被修正，并直接識別了Cu原子周圍的局部結(jié)構(gòu)變化，證明溫度對其的影響。而在Cu₂O方面，主要研究反應物的吸附，如H₂O、CO、H₂等。但對Cu⁺和Cu⁰上合成甲醇的反應機制仍然不詳細，需要進一步了解Cu⁺和Cu⁰的作用和影響，此外還需要研究銅基催化劑在甲醇合成過程中的活性位點的作用機理。

1.2 低價態(tài)銅在CO₂加氫制甲醇反應中的催化機理

       為了更直觀地了解銅基催化劑上的活性中心，基于對Cu⁰和Cu⁺反應機理的探究，更深入地探究在不同價態(tài)銅上的反應機理。李靜運用密度泛函理論（DFT+U和DFT）研究CO₂加氫制備甲醇反應路徑和速控步驟在Cu₂O和Cu晶面上的不同。他們發(fā)現(xiàn)在Cu₂O(111)和Cu(111)表面上，CO₂加氫最優(yōu)路徑區(qū)別在H₂CO→H₂COH和H₂CO→H₃CO的過程。其中H₂COOH的C—O鍵斷裂形成H₂CO的方式不同，在Cu₂O(111)表面上H存在的條件下C—O鍵斷裂，相反地在Cu(111)表面上C—O鍵斷裂卻在H不存在的條件下。雖然它們的CO₂加氫制備甲醇速控步驟都為HCOOH加氫生成H₂COOH，但Cu(111)表面的反應能壘低于Cu₂O(111)表面。而在合成氣加氫制甲醇中它們速控步驟卻不一樣，Cu₂O(111)表面上速控步驟為HCO加氫生成H₂CO，Cu(111)表面上速控步驟為CO加氫生成HCO。

       為了更加深入地探究不同銅物種上的反應途徑和碳源選擇，對Cu(111)和Cu₂O(111)表面的CO/CO₂加氫合成甲醇反應進行比較。Liu等運用密度泛函理論(DFT)和動力學蒙特卡羅(KMC)進行深入的機理研究，對Cu(111)和Cu₂O(111)表面上的CO/CO₂加氫制備甲醇進行了模擬計算，發(fā)現(xiàn)在不同價態(tài)銅晶面上合成甲醇的反應路徑也不盡相同。比較CO/CO₂加氫合成甲醇的途徑，發(fā)現(xiàn)Cu₂O(111)和Cu(111)表面上的反應機制是不同的。依據(jù)甲醇轉(zhuǎn)換頻率(TOF)計算，發(fā)現(xiàn)當催化劑表相主要被Cu⁺包裹著時，加氫的主要碳源是CO；然而，當Cu⁰包裹表相時，主要反應物是CO₂。在所設(shè)置的條件下，單獨的Cu₂O可以輕松地被H₂和CO還原為金屬Cu，但Cu₂O物種在有堿金屬負載和H₂O、CO₂存在的情況下不容易被還原?？傮w而言，甲醇能夠通過CO/CO₂加氫合成，其表面銅價態(tài)分布決定了碳源的物質(zhì)。

2 低價態(tài)銅基催化劑催化性能的改進策略

       基于對CO₂加氫制甲醇催化劑的活性位點和金屬間相互作用的理解，通常采用下述方法獲取高性能催化劑：增加催化劑表面氧空位；減小催化劑粒徑;負載新的活性金屬促進金屬間界面形成和活性位點生成。本文中主要對下列2個方面的改進策略進行研究：一方面是催化劑活性與銅物種的價態(tài)分布之間存在著密切關(guān)系，但在實際反應條件下催化劑表面上Cu⁺和Cu⁰的比例容易改變，其中Cu⁺的比例需要通過表面氧和外來元素穩(wěn)定，因此調(diào)控銅價態(tài)分布和保持銅物種初始狀態(tài)對于提高催化劑性能和穩(wěn)定性是至關(guān)重要的；另一方面是低價態(tài)銅物種與其他金屬氧化物存在著密切的協(xié)同作用，即金屬－載體強相互作用，尤其是ZnO可以作為氫氣儲存器、結(jié)構(gòu)改性劑或直接促進鍵的活化。加入ZnO的Cu/ZnO基催化劑因在甲醇重整、甲醇合成和WGSR反應中的高活性而引起了廣泛的工業(yè)興趣。

2. 1 低價態(tài)銅物種的價態(tài)分布和穩(wěn)定性

       銅物種的價態(tài)分布與催化劑活性之間有著緊密的聯(lián)系，最近一些研究發(fā)現(xiàn)，Cu⁺物種是CO₂氫化的活性位點。這些研究表明，隨著Cu/SiO₂催化劑中Cu⁺物種比例的增加，可以顯著提高銅基納米催化劑上的CO₂轉(zhuǎn)化率，其中Cu⁺物種含量通過調(diào)節(jié)還原條件來控制。同樣Cu⁰被廣泛認為是CO₂氫化的活性位點，但由于Cu顆粒的燒結(jié)和生長，單純的金屬Cu通常面臨失活。因此，Ma等選擇S-1作為CuO和ZnO的載體共負載還原，以探索添加物是否有利于Cu⁺的穩(wěn)定性和高活性，他們通過濕浸漬制備了10CuO-2ZnO/S-1催化劑，400℃的大氣壓下用純H₂還原2h得到表面僅存在Cu⁺物種的催化劑，并且能在高轉(zhuǎn)化率下保持100h。此外，還發(fā)現(xiàn)了該制備方法中Cu⁺物種和ZnO在催化劑上存在協(xié)同作用，其中ZnO負責H₂解離，ZnO-Cu₂O界面的Cu⁺物種吸附CO₂。如圖2所示，H₂解離和遷移主要在ZnO上，而H物種和CO₂分別在：①H₂的解離和遷移；②OH基團對CO₂的吸附和CO₂的活化；③氫化的碳酸氫鹽；④解離的羧酸鹽過程都集中在ZnO-Cu₂O界面。同樣，利用前驅(qū)體的還原性將Cu²⁺還原為Cu⁺甚至Cu⁰，也是獲得理想銅價態(tài)催化劑的方式。屈高丞通過乙酰丙酮前驅(qū)體水熱法制備出無需還原預處理的Cu/ZnO-5:4催化劑，發(fā)現(xiàn)未還原催化劑催化性能優(yōu)于還原后催化劑，其中高占比的Cu⁺和部分的Cu⁰、Cu²⁺復合，并形成更多Cu⁺-ZnO界面，使其具有高轉(zhuǎn)化率的同時也有85%的甲醇選擇性。在相同的CO₂加氫催化中，Gu等通過兩步水解成功制備了Cu⁰/Cu⁺比例可調(diào)的CuZnAlOOH催化劑，提供了2種不同形貌的催化劑。發(fā)現(xiàn)凝膠(gel)和溶液(solution)的摩爾比與表面Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)的摩爾比之間存在近似線性的關(guān)系。當CuZn催化劑的gel/(gel+solution)的比例為1/2～1/3時，對應于0.277～0.358的Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)比例，乙醇分布高達55.5%。Lu等采用一步電沉積法在氟化氧化錫(FTO)上制備了銅基電催化劑。通過添加單乙醇胺(MEA)精確調(diào)節(jié)電極上Cu⁰和Cu⁺的濃度比。光譜表征結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)MEA的量，銅基電極上局部Cu⁺和Cu⁰的濃度比Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)從0.394到0.446。發(fā)現(xiàn)在最佳濃度比Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)為0.413時，電極在CO₂還原反應中表現(xiàn)出最佳的電化學效率和乙醇產(chǎn)量。如今Cu⁰/Cu⁺比例可調(diào)的銅基催化劑已經(jīng)在CO₂合成乙醇中運用和分析。Si等通過常規(guī)共沉淀技術(shù)制備了Cu-ZnO-CeO₂(CZCe)催化劑，隨著在CZCe催化劑上反應時間測量70h后，Cu⁰/(Cu⁰+Cu⁺)比率從0.701降至0.655并在附近波動，得到甲醇產(chǎn)率高達0.665g/(g·h)。但在CO₂加氫合成甲醇催化劑中研究主要集中于Cu⁰-Cu⁺活性位點，調(diào)控比例的影響仍未得到充分研究。

       但高催化活性和選擇性的Cu-ZnO基納米催化劑存在工作條件下穩(wěn)定性差的問題，2個主要原因可能導致穩(wěn)定性差：一是由于燒結(jié)和工作條件下的奧斯特瓦爾德熟化(固溶體或者液溶膠中隨時間推移的非均勻變化，小的結(jié)晶和顆粒會溶解再沉積到大結(jié)晶和顆粒上)的顆粒生長導致活性銅表面的損失，這也會中斷Cu⁰和Cu⁺的分布，從而加速催化劑失活，然而，用于防止顆粒聚集的許多基于化學修飾和增加物理屏障的工作已經(jīng)完成，由于緩解了奧斯特瓦爾德熟化效應，Chen等曾通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)輔助沉積沉淀法獲得了穩(wěn)定的CuZnO/SiO₂甲醇合成催化劑；還有另一個重要的原因，由于金屬(氧化物)載體和反應物之間的電子效應，銅物種的價態(tài)變化相對遲鈍，銅顆粒的穩(wěn)定性也同時受到銅價分布變化的影響，催化劑工作條件中不同類型的事件可能同時發(fā)生。Liao等研究發(fā)現(xiàn)，通過向銅基催化劑中添加堿金屬K，可以形成穩(wěn)定的Cu+位點，防止其還原為金屬Cu。Si等通過常規(guī)共沉淀技術(shù)制備了Cu-ZnO-CeO₂催化劑，研究可逆氧化還原金屬氧化物CeO₂對活性銅物種價態(tài)分布的影響。其優(yōu)異的催化性能可以歸因于CeO₂摻雜傾向于動態(tài)調(diào)節(jié)催化劑表面Cu⁺和Cu⁰物種的分布和濃度，如圖3所示，在合成氣氫化過程中Cu/CeO₂相(Cu/Cu₂O/CuO，Ce³⁺/Ce⁴⁺)的強烈和復雜的電子相互作用，在反應過程中延緩Cu^δ+(δ＜2)向Cu²⁺的轉(zhuǎn)化。并且催化劑中Cu⁰/Cu⁺比率在1.90附近波動，表明引入CeO₂提高了表面銅物種分布的穩(wěn)定性。并且表征結(jié)果證明，對于新鮮催化劑和廢催化劑，沒有觀察到顯著的形態(tài)和尺寸變化。催化劑催化性能保持的主要原因有2個：減少真實反應條件下出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象;活性銅物種(Cu⁺/Cu⁰)易于氧化為Cu²⁺，然后Cu⁰/Cu⁺的比值增加會降低Cu⁺和Cu⁰活性位點的協(xié)同效應。

圖3 可逆氧化還原金屬氧化物動態(tài)調(diào)節(jié)催化劑表面Cu⁺和Cu⁰示意圖

2. 2   低價態(tài)銅與其他金屬氧化物的協(xié)同作用

         低價態(tài)銅物種與其他金屬氧化物摻雜的研究目前仍存在爭議的有，Cu晶階、Cu-ZnO界面、金屬間摻雜位點以及最密堆積晶面等，通常Cu和ZnO之間的金屬協(xié)同效應被認為是Cu-ZnO具有催化活性的緣由，也提出新的銅納米粒子表面覆蓋的ZnO_x物種和銅納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)的研究。因此，Qi等對有爭議的催化活性位點在CO₂轉(zhuǎn)化過程中的作用進行了第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)催化活性的提高與Cu、Zn物種雜化引起的態(tài)密度升高和自旋極化相對應，并證明了Cu/ZnO界面和Zn摻雜的Cu位在催化活性中心中起著重要作用，它們相繼參與了CO₂的轉(zhuǎn)化，初始步驟應主要是無氫的CO₂解離，這與先入為主的氫輔助CO₂解離觀點不同。Guzmán等發(fā)現(xiàn)在Cu顆粒中加入ZnO后增加了催化劑的比表面積和總孔隙體積，Cu⁺(111)和Cu⁰(111)晶面的晶粒尺寸都有所減小。

不同的Cu晶體結(jié)構(gòu)對Cu/ZnO催化劑性能的影響也是很重要的。從以往的研究中可以知道，當改變Cu⁰表面的結(jié)構(gòu)或形態(tài)時，甲醇轉(zhuǎn)化率是不同的。為了探究銅的形態(tài)能否增強氧化物－金屬的相互作用并影響界面的性能，根據(jù)文獻，Robert等制備了負載ZnO的Cu(111)和Cu(100)2種晶面的催化劑，通過動力學測試和環(huán)境壓力X射線光電子能譜(AP-XPS)的結(jié)果表明，ZnO-Cu界面在逆水氣生成CO和CO₂加氫合成甲醇中起關(guān)鍵作用。并且在Cu(100)和Cu(111)上單層沉積了ZnO，制備出高效催化劑。Palomino等評價表征后得出按照催化活性評價結(jié)果遞減順序為：ZnO/Cu(100)＞ZnO/Cu(111)＞Cu(100)＞Cu(111)，證明了Cu晶體結(jié)構(gòu)可改變ZnO-Cu界面的催化活性。與ZnO/Cu(111)相比，ZnO/Cu(100)是甲醇合成和逆水煤氣變換反應更好的催化劑。此外，尺寸和ZnO-Cu之間的相互耦合作用又會顯著影響催化劑性能，從而使負載于ZnO中的Cu表相與體相的性質(zhì)有所不同。

3   結(jié)論與展望

       如今，銅基催化劑在CO₂加氫制甲醇中已經(jīng)有工業(yè)化的應用。本文綜述了加氫制甲醇過程銅基催化劑中不同價態(tài)銅(Cu⁰和Cu⁺)的作用與機理，以及銅價態(tài)分布和Zn助劑的加入對不同價態(tài)銅的催化劑性能影響和存在的問題。歸納的結(jié)論為:①目前在銅基催化劑中銅的活性中心有3個觀點，Cu⁰、Cu⁺、Cu⁰-Cu⁺界面，其中活性位點是Cu⁰-Cu⁺的研究較多，也有認為Cu⁺/Cu⁰的比例是決定甲醇催化性能的關(guān)鍵；②當催化劑表面主要被Cu⁺包裹時，加氫的主要碳源是CO，然而，當Cu⁰包裹表面時，主要碳源是CO₂，因此，CO或CO₂加氫制甲醇的規(guī)模取決于Cu⁺和Cu⁰的比例；③在通常的反應條件下，使用H₂或CO很容易將Cu₂O還原為金屬Cu，而CO₂、H₂O、堿金屬負載的存在使Cu⁺物種穩(wěn)定，加入助劑或使用前驅(qū)體制備可以調(diào)控銅價態(tài)分布和保持其初始狀態(tài)，并顯著提高催化劑性能和穩(wěn)定性；④銅基催化劑催化活性的提高與Cu、Zn物種雜化引起的態(tài)密度升高和自旋極化相對應，并證明了Cu/ZnO界面和Zn摻雜的Cu位在催化活性中心中起著重要作用，且不同的Cu晶體結(jié)構(gòu)也會影響Cu/ZnO催化劑性能。

       綜上所述，Cu⁰和Cu⁺作為CO₂加氫合成甲醇過程中的活性位點已經(jīng)有了大量研究，但對復合價態(tài)銅的活性位點和機理研究還不夠完善，想要可控定量制備含有Cu⁰和Cu⁺的催化劑還需要繼續(xù)研究。但大都是單一價態(tài)銅的分析，對可控的復合價態(tài)銅與不同助劑之間的相互作用的研究還比較少，也可能是未來研究的方向，希望對讀者有所幫助。

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