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中国半导体十大研究进展候选推荐(2021-024)——二硫化钼低温、高效、长寿命催化二氧化碳加氢制甲醇

半导体学报 蔻享学术 2022-07-03




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工作简介

         ——二硫化钼低温、高效、长寿命催化二氧化碳加氢制甲醇


中科院大连化物所邓德会团队与厦门大学王野团队合作,首次利用富含硫空位的少层二硫化钼(MoS2)催化剂实现了低温、高效、长寿命催化CO2加氢制甲醇,为实现低能耗、高效率的CO2转化利用开辟了新途径。


CO2的高效转化利用对缓解能源危机以及实现“碳中和”目标具有重要的战略意义。其中,利用基于可再生能源的绿色氢气(H2)与CO2反应制备甲醇是一条重要的途径。传统的金属氧化物催化剂通常需要较高的反应温度(> 300 ℃)来催化CO2加氢到甲醇,但往往伴随严重的逆水煤气变换(RWGS)反应,导致大量副产物一氧化碳(CO)的产生。在金属氧化物催化剂中引入过渡金属组分可以促进H2的活化从而降低反应温度,但同时又容易导致CO2过度加氢到甲烷(CH4),从而降低甲醇的选择性。金属/金属氧化物催化CO2加氢制甲醇体系中活性与选择性的相互制约,严重限制了其低温催化性能的提升。因此,为实现CO2低温高效加氢制甲醇,亟需寻求新的催化剂体系。


近期,邓德会团队与王野团队合作研究发现,富含硫空位的少层半导体MoS2可在低温甚至室温下将CO2和H2同时直接活化并解离,从而能够高活性、高选择性地催化CO2低温加氢到甲醇,并有效抑制了甲醇的过度加氢。该催化剂在180 ℃下,CO2单程转化率可达12.5%,同时甲醇选择性可达94.3%,显著优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂以及此前报道的催化剂。而且,该催化剂的活性和选择性在180 ℃下能够稳定地维持3000小时而未见衰减,表现出了优异的工业应用潜力。原位表征与理论计算研究结合显示,MoS2面内硫空位是催化CO2高选择性加氢到甲醇的活性中心。该工作揭示了二维MoS2的硫空位在催化反应中的应用潜力,为开发CO2加氢新型催化剂提供了新思路。

上述工作近期发表在Nature Catalysis上(Nat. Catal. 2021, 4, 242),Nature Catalysis同期以“不同寻常的空位催化(Catalysis by Unusual Vacancies)”为题,刊发了专家的评述文章(Nat. Catal. 2021, 4, 184),对该工作进行了高度评价。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) Felix Studt教授表示,这是一个令人惊奇的、有意义的研究工作,有望为二氧化碳加氢制甲醇的工业应用带来巨大的效率提升。




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作者简介

通讯作者


邓德会,中科院大连化物所研究员、博导、教育部青年长江学者、中科院青促会优秀会员。2007年于四川大学获双学士学位,师从石碧院士、廖学品教授;2013年于中科院大学获博士学位,师从包信和院士、潘秀莲研究员,同年入职于中科院大连化物所,被评为副研究员;2015年受聘为厦门大学iChEM研究员,2015-2016年美国斯坦福大学访问学者(合作导师:戴宏杰院士),2017年晋升为大连化物所研究员。目前担任二维材料与能源小分子转化研究组组长。



主要从事二维材料的表界面调控及能源小分子催化转化方面的基础和应用研究,在小分子如CH4、CO、CO2、CH3OH、H2O等催化转化方面取得系列重要进展。在Science、Nat. Catal.、Nat. Nanotechnol.、Chem. Rev.、Sci. Adv.、Chem、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nano Energy等国际知名刊物上发表SCI论文70余篇,SCI总引用1万余次。申报国内外专利58项,已授权21件。主要研究成果包括:1)提出“铠甲催化”概念,为苛刻条件下高稳定催化剂的设计提供了新途径;2)实现甲烷室温直接催化转化,为其温和条件下的转化提供了借鉴;3)实现低温、高效、长寿命CO2催化加氢制甲醇,为低能耗CO2转化利用开辟了新途径。




通讯作者


王野,1966年生,厦门大学教授、博士生导师。1996年日本东京工业大学博士毕业。1996-2001年先后在日本东京工业大学、东北大学和广岛大学任教,2001年起任广岛大学副教授。2001年8月起任厦门大学教授、博士生导师。2010年受聘闽江学者特聘教授。2004年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2006年获国家杰出青年科学基金,2010年获中国催化青年奖。2005-2012年任中国化学会催化委员会副主任,现任国际催化协会理事会理事、美国ACS Catalysis副主编及Appl. Catal. A、J. Energy Chem.、Green Energy Environ.、中国科学:化学等刊物编委。



从事C1化学和生物质转化利用领域的催化基础研究,主要研究方向包括:合成气、甲烷、二氧化碳等C1分子催化活化和选择转化;C1分子光/电催化转化制乙烯、乙醇和乙二醇;纤维素/木质素中特定C-O和C-C键选择断键和催化转化制化学品。主持/完成包括国家自然科学基金重大研究计划集成项目、重大项目课题、重点项目以及科技部国家重点研发计划项目课题等多项国家级重要科研项目,与陕西煤业化工技术研究院和荷兰Shell公司签署多项应用开发合同,在包括Nature Catal.、Nature Commun.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.等在内的国际学术刊物发表研究论文约240篇。




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原文传递


详情请点击论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00584-3


《半导体学报》简介:

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物,1980年创刊,首任主编是王守武院士,黄昆先生撰写了创刊号首篇论文,2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors(简称JOS),同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年,JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年,JOS被EI收录。


“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介:

《半导体学报》在创刊四十年之际,启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作,记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位,本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱:jos@semi.ac.cn,并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介,阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生,并于下一年度春节前公布。


JOSarXiv预发布平台简介:

半导体科技发展迅猛,科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台,保障优秀科研成果首发权的认定,促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立,编辑部负责运行和管理,是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台,提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线(http://arxiv.jos.ac.cn/),通过《半导体学报》官网(http://www.jos.ac.cn/)亦可访问。敬请关注和投稿!








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