复合催化剂Ru/CoAl-LDH可见光深度还原低浓度CO2及其性能增强机理
戴俊1
贾凤婷2
杨娟1
丰之翔2
王大钊2
冷冲冲2
1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 4540032.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003
摘要："双碳"目标下,利用清洁可再生的太阳能驱动CO2资源化利用成为重要的研究课题,但已有报道多以高纯CO2为研究对象,而实际燃煤电厂排放的烟气中CO2体积分数仅为3％～15％,为规避高能耗的CO2提浓过程,直接实现低浓度CO2光催化定向转化对节能减排及其资源化利用具有重要科学意义.采用共沉淀-水热法首先制得钴铝层状双氢氧化物(CoAl-LDH),通过表面浸渍耦合氢气热处理将钌纳米颗粒负载至CoAl-LDH表面,构筑出可见光催化剂Ru/CoAl-LDH,其独特的表面组成与结构特性有助于实现以水为氢源的低浓度CO2深度光还原.利用X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱与紫外可见漫反射光谱等测试技术对复合催化剂的结构组成和微观形貌进行测定分析,结果表明:负载的钌物种为零价金属态Ru,其负载未改变CoAl-LDH的纳米片状形貌,但可显著提升复合催化剂的光响应性能.以Ru/CoAl-LDH为光催化剂、水为电子给体和氢源、10％CO2/N2混合气体为模拟烟道气,在可见光照射下考察Ru负载量对还原产物生成量及深度还原产物甲烷选择性的影响,其中1.6％Ru/CoAl-LDH具有最优的CO2光还原性能,可见光照射3h后的甲烷产生量及选择性高达452.4 μmol/g和86.3％,分别是单一 CoAl-LDH的10.4倍和3.3倍.同时,借助CO2吸附等温线、原位XPS、瞬态光电流与阻抗谱等测试结果探究了Ru/CoAl-LDH对低浓度CO2深度光还原的性能增强机理.CoAl-LDH表面的—OH基团利于复合催化剂对低浓度CO2的选择性吸附;CoAl-LDH优异的水氧化性能可为CO2深度光还原提供充足的原位氢源,无需使用具有爆炸危险性的氢气;负载的Ru作为光电子受体,在增强光生电荷分离与迁移效率的同时,作为CO2还原活性位能实现其多电子还原过程.因此,CoAl-LDH和助催化剂Ru的协同作用是低浓度CO2深度光还原性能得以提升的主要原因,复合催化剂Ru/CoAl-LDH实现了可见光水氧化与低浓度CO2深度还原的有效耦合,为本质安全且低能耗CO2转化体系的构建提供了重要理论指导,也为燃煤烟气CO2资源化利用提供了新思路.
关键词：低浓度CO2深度光还原钴铝层状双氢氧化物钌负载水氧化
分类号：TQ534.9(煤化学及煤的加工利用)
资助基金：国家自然科学基金(52074103)国家自然科学基金(U2004194)河南省高校重点科研项目(25ZX010)
论文发表日期：2025-02-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 1325-1338 )
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