Incorporating nitrogen atoms into cobalt nanosheets as a strategy to boost catalytic activity toward CO2 hydrogenation

催化作用 甲酸 材料科学 氮气 化学工程 吸附 无机化学 化学 有机化学 工程类
作者
Liangbing Wang,Wenbo Zhang,Xusheng Zheng,Yizhen Chen,Wenlong Wu,Jian-Xiang Qiu,Xiangchen Zhao,Xiao Zhao,Yizhou Dai,Jie Zeng
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:2 (11): 869-876 被引量:187
标识
DOI:10.1038/s41560-017-0015-x
摘要

Hydrogenation of CO2 into fuels and useful chemicals could help to reduce reliance on fossil fuels. Although great progress has been made over the past decades to improve the activity of catalysts for CO2 hydrogenation, more efficient catalysts, especially those based on non-noble metals, are desired. Here we incorporate N atoms into Co nanosheets to boost the catalytic activity toward CO2 hydrogenation. For the hydrogenation of CO2, Co4N nanosheets exhibited a turnover frequency of 25.6 h−1 in a slurry reactor under 32 bar pressure at 150 °C, which was 64 times that of Co nanosheets. The activation energy for Co4N nanosheets was 43.3 kJ mol−1, less than half of that for Co nanosheets. Mechanistic studies revealed that Co4N nanosheets were reconstructed into Co4NH x , wherein the amido-hydrogen atoms directly interacted with the CO2 to form HCOO* intermediates. In addition, the adsorbed H2O* activated amido-hydrogen atoms via the interaction of hydrogen bonds. Hydrogenation of CO2 over heterogeneous catalysts can produce useful energy vectors such as methanol and formic acid. Here the authors show that the activity of unsupported cobalt catalysts can be markedly enhanced through incorporation of nitrogen atoms into the structure.
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