RUI: CAS: Novel Carbon Nanosphere Encapsulated Bimetallic Catalysts and Metal-CeO2 Interfaces for CO2 Conversion to Value-added Chemicals

RUI:CAS:新型碳纳米球封装双金属催化剂和金属-CeO2 界面,用于将二氧化碳转化为增值化学品

基本信息

  • 批准号:
    2247399
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.66万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

With the support of the Chemical Catalysis program in the Division of Chemistry, Cheng Zhang of Long Island University (Post) is developing new catalysts for CO2 conversion to useful products. As a greenhouse gas, CO2 at elevated levels can give rise to significant environmental issues. There is an urgent need to mitigate CO2 emissions to alleviate the negative impact of elevated greenhouse gas levels on our planet. As such, efficient capture and utilization of CO2 to produce value-added chemicals is highly desirable. This research aims to convert CO2 by catalytic hydrogenation to valuable building blocks for polymers and plastics that are currently produced primarily from fossil carbon sources. A key significance of this project is to identify trends and dominant factors that can be utilized to design efficient catalysts for CO2 conversion. New discoveries from this work may enable the tunable control of catalyst properties for the systems under study, and facilitate the discovery of new catalysts for CO2 conversion. Dr. Zhang will incorporate undergraduate research and education as a significant component of this NSF-funded project. Dr. Zhang’s lab includes students of various ethnicity and majors. Involving undergraduates in research is a crucial element of their education, not only to hone their quantitative and critical thinking skills but also to build their practical appreciation and understanding of how scientific research is conducted. Through their work on this scientific project, students will experience important elements of taking responsibility, problem-solving, persistence, thoroughness, teamwork, commitment and patience, all useful traits for the research scientist. Under this project, the group of Cheng Zhang at Long Island University is working to understand the reaction mechanism and dominant factors affecting CO2 hydrogenation to light olefins as catalyzed by encapsulated transition metals and metal oxides within the confines of carbon nanospheres (CNS). The goal is to be able to use these parameters to tune catalyst functionality for efficient CO2 conversion. Specifically, the Zhang team will probe the effects of metal and/or metal carbide particle size, metal alloy formation, metal-metal oxide interaction and confinement effects on the catalyst activity, selectivity, and stability for CO2 conversion to value-added chemicals. Catalytic performance will be examined in light of structural characterization and in view of density functional theory (DFT) calculations to gain more insight. Particular goals of these investigations are (i) to take advantage of the confinement of the CNS to protect Fe-M nanoparticles from agglomeration and retain their reduced state, (ii) to exploit the abundant oxygen vacancies on CeO2, (iii) to take advantage of the hydrophobic and graphitic nature of CNS with defect sites, and (iv) to use the short diffusion length inside the CNS pores to minimize undesired olefin secondary reactions. The integration of synthesis, evaluation, advanced characterization, and DFT calculations is critical for the success of this science and highlights the multi-faceted nature of the study.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学系化学催化项目的支持下,长岛大学(邮报)的张成正在开发将二氧化碳转化为有用产品的新型催化剂。 作为一种温室气体,二氧化碳浓度升高会引起严重的环境问题。迫切需要减少二氧化碳排放,以减轻温室气体水平升高对地球的负面影响,因此,非常需要有效捕获和利用二氧化碳来生产增值化学品。本研究旨在通过催化转化二氧化碳。氢化为目前主要由化石碳源生产的聚合物和塑料的重要组成部分,该项目的一个重要意义是确定可用于设计高效二氧化碳转化催化剂的趋势和主导因素。能够对所研究的系统的催化剂特性进行可调控制,并促进新的二氧化碳转化催化剂的发现。张博士将把本科生研究和教育作为该国家科学基金会资助的项目的重要组成部分。不同种族和让本科生参与研究是他们教育的一个关键要素,不仅可以磨练他们的定量和批判性思维技能,还可以通过他们在这个科学项目上的工作来培养他们对科学研究如何进行的实际欣赏和理解。体验承担责任、解决问题、坚持、彻底、团队合作、承诺和耐心的重要要素,这些都是研究科学家有用的特质。在这个项目下,长岛大学的张成团队正在努力了解反应机制和结果。影响CO2加氢制光的主导因素碳纳米球(CNS)范围内的封装过渡金属和金属氧化物催化烯烃的目标是能够利用这些参数来调整催化剂功能以实现高效的二氧化碳转化。具体来说,张团队将探讨金属的影响。和/或金属碳化物颗粒尺寸、金属合金形成、金属-金属氧化物相互作用和限制对二氧化碳转化为催化化学品的催化剂活性、选择性和稳定性的影响。将根据结构表征和密度泛函理论 (DFT) 计算来检查性能,以获得更多见解,这些研究的具体目标是 (i) 利用 CNS 的限制来保护 Fe-M 纳米颗粒免受影响。团聚并保持其还原态,(ii) 利用 CeO2 上丰富的氧空位,(iii) 利用具有缺陷位点的 CNS 的疏水性和石墨性质,以及 (iv) 使用短扩散合成、评估、高级表征和 DFT 计算的整合对于这门科学的成功至关重要,并凸显了该研究的多面性。该奖项是 NSF 的法定使命和使命。通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,该项目被认为值得支持。

项目成果

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