大連化物所開發出甲烷幹整抗積碳鎳單原子催化劑

撰稿: 大连化学物理研究所 發布時間:2019-11-21

        近日,大连化物所催化与新材料研究室研究员乔波涛、院士张涛团队在单原子催化研究方面取得新进展,发现在甲烷干整反应中羟基磷灰石负载镍(Ni)原子催化剂不仅具有高活性,而且具有本征抗积炭性能。研究揭示Ni单原子活性位上CH4发生不完全解离,避免C物种生成,从源头上避免了积碳生成。

  二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是自然界最主要的兩種溫室氣體,同時也是兩種大量存在的廉價碳資源。甲烷二氧化碳幹整將甲烷和二氧化碳轉化爲合成氣,可用于後續精細化學品合成及費托反應。Pt族金屬在該反應中均展現出較高活性,但貴金屬的高成本限制了其實際應用。Ni金屬具有與貴金屬相當的活性,具有良好的應用前景,但Ni基催化劑易積碳導致催化劑失活,因此開發抗積炭的Ni基催化劑已成爲該領域最活躍最具挑戰性的研究方向之一。

  本研究發現羟基磷灰石(HAP)負載的單原子與納米催化劑均在反應過程中很快失活,但其失活機制完全不同。納米催化劑的失活主要源于催化劑積碳,而單原子催化劑上沒有積碳生成,其失活源于單原子的燒結。因此在單原子催化劑中加入氧化铈穩定單原子後,催化劑穩定性得到大幅度提升。研究結合理論計算表明,單原子催化劑上CH4脫氫至CH3物種後可直接與CO2解離的O結合生成CH3O物種,再逐步脫氫至CO。整個過程避免了碳物種的生成,從而具有本征抗積炭性能。

  本研究为新型高稳定抗积炭甲烷干整催化剂的开发提供了新思路,相关成果发表于《自然-通讯》上。 相关工作得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项(B)“能源化学转化的本质与调控”、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、中科院洁净能源研究院合作基金以及兴辽计划青年人才等项目的资助。同时,这也是献礼大连化物所七十周年所庆文章之一。

  (文/图 乔波涛、Mochin AKRI)