沸石回收二氧化碳以推動碳中和的未來

KAUST開發了將捕獲的二氧化碳(CO2)轉化為燃料和其他有價值的石化產品的多功能催化劑，旨在實現獨立於傳統化石燃料的可持續綠色經濟。領導這項研究的豪爾赫·加斯康(JorgeGascon)表示，這些催化劑可以通過防止新的排放量來幫助扭轉不斷增加的CO2排放，而無需對現有基礎設施進行徹底檢修。

CO2是導致全球變暖的關鍵因素，它也可以作為有用碳氫化合物的原材料。然而，它的高化學穩定性使得將其轉化為更有用的東西非常具有挑戰性。

有幾種策略可用於使用傳統的多相催化劑將CO2轉化為各種碳氫化合物。然而，這些催化劑在根據目標應用調整產品分布的能力方面受到嚴重限制，博士解釋說。學生AbhayDokania。

Gascon的團隊設計了一種方法，利用多種催化劑協同作用。該催化劑將金屬基催化劑與酸性沸石（一種有序的微孔催化材料）相結合，將CO2直接轉化為多種碳氫化合物，如輕質烯烴、芳烴和石蠟。

生產甲醇的銦鈷催化劑與催化甲醇到烴反應的鋅改性沸石的混合物產生了汽油級異鏈烷烴，如異丁烷和異辛烷，選擇性為85%。這些高辛烷值碳氫化合物因其抗爆性能和燃油效率而備受追捧，但之前卻被忽略為目標產品。高催化劑選擇性與沸石孔結構和產生支化烴的傾向一致。

“我們並不是從頭開始這個項目，”研究工程師AdrianRamirezGalilea說。“然而，我們對在異鏈烷烴餾分中表現出如此高的選擇性感到非常驚訝。仍有工作要做，但我們相信我們走在正確的軌道上。”

“通過詳盡的光譜探測工作，該團隊揭示了沸石內部不尋常的鋅簇，這有助於確定反應過程中每種催化劑組分的精確作用，從而優化催化劑，”多卡尼亞說。丙烷是一種必不可少的商品，其市場份額不斷增長，但它的CO2生產卻被忽視了。KAUST研究人員與歐洲領先大學團隊一起，使用鈀-鋅基催化劑合成丙烷，該催化劑可形成甲醇和對三碳化合物具有高選擇性的沸石。

該催化系統對丙烷的選擇性超過50%，CO2轉化率接近40%，CO選擇性僅為25%。“我們將這些結果歸因於催化劑組分之間的密切接觸，”拉米雷斯說。這改變了整體的CO2/甲醇/CO平衡，以最大限度地提高CO2的轉化量，同時最大限度地減少形成的CO量。鈀組分還將石蠟選擇性提高到99.9%。

多功能催化劑有望加強對碳氫化合物產品範圍的控制，併產生通常無法獲得的石化產品。然而，進一步的性能增強取決於能夠更好地理解其中的化學反應，尤其是沸石在整個反應機制中的作用。研究人員將鐵基氫化催化劑與八種不同的沸石結合，並鑒定出被沸石捕獲的有機化合物，以闡明沸石的反應性。

儘管反應機制複雜，但該團隊根據選擇性將所有沸石分為四個不同的組：兩組形成輕質烯烴和長烯烴，兩組產生鏈烷烴和芳香族化合物。“因此，針對來自CO2的特定產品可能就像在多功能系統中選擇合適的沸石一樣容易，”拉米雷斯說。

研究人員現在正在優化他們的多功能催化劑，以更接近循環碳經濟，這是KAUST採取的一項舉措，以支持減少、再利用、回收和消除碳排放。“我們已經生產了屬於汽油燃料範圍的碳氫化合物，但在使用之前需要進行大量的額外處理。因此，我們的下一步是應用我們所學到的知識，直接從CO2中生產插入式燃料，無需任何額外處理即可使用，”Dokania說。