专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

浙江大学李伟/李素静课题组AFM：酸根锚定-活性位点保护协同增效：Co基尖晶石催化剂助力CO2捕集胺液高效再生

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-20 11:18

正文

▲第一作者：钟昕玲

通讯作者：李素静副教授

通讯单位：浙江大学生物质化学工程教育部重点实验室

论文DOI：10.1002/adfm.202422336 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

面对全球碳减排的迫切需求，工业级 CO ₂ 捕集技术的能耗与成本问题亟待突破。固体酸催化剂（ SACs ）因其酸活性位点在强化碳捕集解吸过程中的关键作用而受到广泛关注。针对催化剂易失活的核心难题，本研究创新性地提出酸根锚定 - 活性位点保护协同策略，成功过开发出高效稳定的 Co 基尖晶石催化剂，利用 SO ₄ ^2- 锚定增强酸性位点密度， TiO ₂ 壳层抑制活性组分流失，在 98℃ 温和条件下实现胺液再生速率突破性提升。研究结果表明，得益于锚定的酸根基团，其通过质子耦合电子转移效应开辟了低能垒质子传递新路径，使 N-C 键断裂活化能降低约 62% ，从而实现再生速率提升 111% ，再生能耗下降 44% 。在十次吸收 - 解吸循环以及抗硫测试中，构建的壳层 TiO ₂ 具有优异的抗中毒和防浸出性能，可使得催化剂保持 80% 及以上的活性。

背景介绍

基于燃烧后捕集的化学吸收法（如 30wt% MEA 吸收剂）被认为是当前解决电厂烟气二氧化碳排放的托底技术保障。然而，由于有机胺吸收剂再生过程依赖高温蒸汽，能耗占捕集成本的 60-80% ，严重制约其大规模应用。固体酸催化剂（ SACs ）通过 Brønsted 酸位（ BASs ）与 Lewis 酸位（ LASs ）协同作用，被认为可突破上述瓶颈，然而，传统 SACs 在胺液环境中易因活性组分浸出或有机沉积失活，严重限制其工业适用性。针对此问题，构建核壳结构与酸根锚定协同策略成为关键突破口，本课题组通过过渡金属掺杂与动态封装技术，成功开发了高效耐久的 Co 基催化剂，展现出优异的质子转移能力与防浸出性能。

本文亮点

1. 通过构建具有核壳结构的 Mn₂CoO₄@TiO₂/SO₄²⁻ （ MC@TiO₂/S ）催化剂，利用 TiO₂ 壳层有效抑制活性组分（ Co 、 Mn ）的浸出，并通过硫酸根锚定增强表面 Brønsted 酸位（ BAS ）密度，实现活性位点保护与酸催化功能的协同优化，显著提升催化剂的循环稳定性。

2. 该催化剂通过 Brønsted 酸位（ BAS ）的质子耦合电子转移（ PCET ）机制降低质子转移活化能，同时 Lewis 酸位（ LAS ）促进 C-N 键断裂，使 CO₂ 再生速率和容量分别提升 111% 和 103% ，再生能耗降低 44% ，并可在 98°C 低温下高效运行，减少溶剂热降解与能量损失。

3. 结合 DFT 计算与实验表征，揭示了 BAS 与 LAS 在碳酸酯分解中的协同作用机制： BAS 加速质子转移， LAS 弱化 C-N 键，双途径协同降低反应能垒。生命周期评估（ LCA ）表明，催化过程可减少 13% 的温室效应潜能（ GWP ），综合环境效益优于传统非催化工艺，为工业碳捕集技术的绿色化升级提供理论支撑与应用范例。

图文解析

催化性能测试（图 1A-C ）显示， MC@TiO ₂ /S 的催化性能显著优于改性的 Co ₃ O ₄ ，在 98°C 下的最大再生速率达 5.03 mmol·CO ₂ min ^-1 （较空白提升 111% ），再生容量达 0.152 mol·CO ₂ min ^-1 （提升 103% ）。十次循环后（图 1D ），再生容量保持初始值的 80% ，证实了 TiO ₂ 壳层的保护作用以及催化剂的耐久性。 ¹³ C NMR （图 1E ）显示催化体系加速 CO ₂ 产物氨基甲酸酯分解， 5 分钟内消除 HCO ₃ ^- 信号，且无副产物生成，表明催化剂对有机胺溶液降解无负面影响。

NH ₃ -TPD （图 2A ）表明， MC@TiO ₂ /S 的强酸位点（ 580°C ）密度达 2.026 mmol·g ^-1 ，较未改性催化剂提升近 8 倍。 Py-IR （图 2B ）显示 BASs 密度从 0.90 增至 3.71 mmol·g ^-1 ， B/L 比提升至 0.20 ，证实 SO ₄ ^2- 引入显著增强质子转移能力。 EIS 与 CV 测试（图 2C-D ）表明， MC@TiO ₂ /S 电荷转移电阻最低（ 4.23e ^-4 ），电化学活性面积最大，归因于 SO ₄ ^2- 诱导的 BASs 与尖晶石 LASs 的协同作用。

在 100 ppm SO ₂ 存在下（图 3A ）， MC@TiO ₂ /S 的再生速率仅下降 5.6% ，显著优于非催化体系（下降 8.8% ）。 FT-IR 与 XPS （图 3B-F ）表明， SO ₂ 被氧化为 SO ₄ ^2- 并吸附于催化剂表面，未破坏尖晶石与 TiO ₂ 结构。 Ti 2p 谱左移（图 3E ）证实 SO ₄ ^2- 的富集，表明 TiO ₂ 壳层有效缓解硫中毒，延长催化剂寿命。

浙江大学李伟/李素静课题组AFM：酸根锚定-活性位点保护协同增效：Co基尖晶石催化剂助力CO2捕集胺液高效再生

正文

请到「今天看啥」查看全文