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Engineering Co/MnO heterointerface inside porous graphitic carbon for boosting the low-temperature CO2methanation

双金属 煅烧 催化作用 材料科学 化学工程 甲烷化 吸附 多孔性 碳纤维 纳米技术 化学 复合材料 物理化学 复合数 生物化学 工程类
作者
Wengang Cui,Xinying Zhuang,Yanting Li,Hongbo Zhang,Jingjing Dai,Lei Zhou,Zhenpeng Hu,Tong‐Liang Hu
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier]
卷期号:287: 119959-119959 被引量:59
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2021.119959
摘要

Direct conversion of CO2 into CH4 provides an eco-friendly way of mitigating CO2 emissions and reducing the demand for fossil fuels, but this process was kinetically hindered under low temperature because of the high stability of CO2 molecule. The search for efficient low-cost catalysts capable of converting CO2 into CH4 with a high space-time yield (STYCH4) at low temperature is becoming more desirable. Here we report a highly efficient, stable and core-shell catalyst with abundant Co/MnO heterointerface inside porous graphitic carbon (Co/[email protected]), which can be easily obtained by one-step calcination of a bimetal-organic framework (CoMn-MOF-74). The combination of various the nanoscale characterizations and theoretical modeling ascertain that the in situ generated Co/MnO heterostructured nanoparticles (NPs) not only create many metal defects and oxygen vacancies, but also enhance the Co-MnO interaction at Co/MnO heterointerface, which promote CO2 adsorption and facilitate CO2 activation. The resulting Co/[email protected] is able to convert CO2 to CH4 at temperature even as low as 160 °C with >99% selectivity and exceptional high STYCH4 of 0.14 μmolCH4·s−1·gcat.−1, surpassing by far the most active Co catalysts reported up to now under the identical condition. Most astonishingly, at a higher pressure (30 bar), the STYCH4 can reach up to 5.60 μmolCH4·s−1·gcat.−1 at 160 °C, which is comparable to the optimal level of Ru-based catalyst, and simultaneously sets a new benchmark for the Co-based methanation catalyst. On the basis of catalytic studies and in situ FTIR spectroscopy of CO2 methanation experiments, the active sites responsible for this superior performance for Co/[email protected] can be associated with a synergy between Co° and MnO at the Co/MnO heterointerface, where H2 is efficiently dissociated on the Co° and the strong adsorption and activation of CO2 taking place on the adjacent MnO. This work provides a promising way for the design of advanced CO2 methanation catalysts.
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