Boosting Carbonate Hydrogenation through In Situ Formation of the CaO/CaCO 3 Interface

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作者
Bin Shao,Yongjun Jiang,Su Li,Zhicheng Xie,Zhi-Qiang Wang,Sheng Dai,Honglai Liu,Feng Qian,Jun Hu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (21): 18315-18325 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c06660
摘要

High-temperature calcination of carbonate minerals in energy-intensive industrial sectors is one of the greatest contributors to global carbon dioxide (CO 2 ) emissions. The hydrogenation of the most abundant carbonate minerals could potentially mitigate unavoidable CO 2 emissions by converting them into value-added products, but progress has been hindered by a limited understanding of this process. Here, we aim to elucidate the underlying mechanism of self-induced direct hydrogenation of carbonates (DHC) to produce metal oxides and syngas at relatively lower temperature without using any catalysts. Various in situ technologies corroboratively illustrate H 2 molecules can penetrate into CaCO 3 to form multiple CaO/CaCO 3 interfaces, resulting in porous CaO. The density functional theory calculations reveal the neighboring O and C sites at the active CaO/CaCO 3 interface are responsible for the heterolytic dissociation of H 2, leading to the progressively self-induced DHC. An intrinsic microkinetic analysis by tracing the formation rate of the intermediate further verifies its self-induced catalytic characteristics. This subverts the consensus regarding the infeasible self-catalysis of stable ionic crystals. By lowering the temperature to 650 °C, 100% CaCO 3 conversion is achieved with a CO selectivity of 91.8% in a packed bed reactor. Inspired by extensive applications of DHC to various carbonates, this innovative idea of treating carbonates as a White Carbon resource may pave a breakthrough pathway toward Carbon Neutrality in the industry.
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