Oxygen Vacancy Enhanced Proton Transfer to Boost Carbamate Decomposition Kinetics with Tunable Heterostructure Ni/NiO

非阻塞I/O 催化作用 纳米材料基催化剂 电子转移 化学 质子耦合电子转移 解吸 分解 化学工程 材料科学 无机化学 光化学 吸附 物理化学 有机化学 工程类
作者
Xing Li,Lei Xing,Guoxiong Zhan,Zhoulan Huang,Zhen Chen,Huazhen Chang,Junhua Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (2): 1083-1092 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03852
摘要

Catalytic carbamate decomposition is a feasible option for reducing the heat duty of amine solvent regeneration during the chemisorption of CO2 capture; advanced material with excellent proton transfer and exchange performance is crucial to boost the decomposition kinetics in an alkaline environment. Here, we prepared magnetic heterostructure Ni/NiO nanocatalysts with tunable Ni(0) nanoparticles and NiO support. The heterointerface of the proposed materials creates abundant surface oxygen vacancies (OVs) and offers abundant reactive active sites ascribed to the special electron transfer scheme of Ni0–NiO. The generated surface hydroxyls and unsaturated coordinated Ni, respectively, provide transferable protons and electrons, involved in the deprotonation of RNH3+ and C–N break of RNHCOO–. Thus, the obtained nanomaterials achieved considerably improved CO2 desorption of up to 3 mmol/min for a CO2-saturated monoethanolamine solvent, representing a substantial (approximately 50%) increase over the catalyst-free case. The reinforcement mechanism of OV generation by the Ni/NiO heterostructure and the induced proton transfer were revealed through in situ spectroscopic measurement and theoretical calculations. The results verified that the OVs stimulate the production of surface hydroxyls and water-assisted proton hopping, providing an advantageous condition for carbamate decomposition.
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