近日，大連化物所催化與新材料研究室研究員喬波濤、院士張濤團(tuán)隊(duì)在單原子催化研究方面取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)在甲烷干整反應(yīng)中羥基磷灰石負(fù)載鎳(Ni)原子催化劑不僅具有高活性，而且具有本征抗積炭性能。研究揭示Ni單原子活性位上CH4發(fā)生不完全解離，避免C物種生成，從源頭上避免了積碳生成。
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(shí)也是兩種大量存在的廉價(jià)碳資源。甲烷二氧化碳干整將甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成氣，可用于后續(xù)精細(xì)化學(xué)品合成及費(fèi)托反應(yīng)。Pt族金屬在該反應(yīng)中均展現(xiàn)出較高活性，但貴金屬的高成本限制了其實(shí)際應(yīng)用。Ni金屬具有與貴金屬相當(dāng)?shù)幕钚?，具有良好的?yīng)用前景，但Ni基催化劑易積碳導(dǎo)致催化劑失活，因此開(kāi)發(fā)抗積炭的Ni基催化劑已成為該領(lǐng)域最活躍最具挑戰(zhàn)性的研究方向之一。
本研究發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石(HAP)負(fù)載的單原子與納米催化劑均在反應(yīng)過(guò)程中很快失活，但其失活機(jī)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(méi)有積碳生成，其失活源于單原子的燒結(jié)。因此在單原子催化劑中加入氧化鈰穩(wěn)定單原子后，催化劑穩(wěn)定性得到大幅度提升。研究結(jié)合理論計(jì)算表明，單原子催化劑上CH4脫氫至CH3物種后可直接與CO2解離的O結(jié)合生成CH3O物種，再逐步脫氫至CO。整個(gè)過(guò)程避免了碳物種的生成，從而具有本征抗積炭性能。
本研究為新型高穩(wěn)定抗積炭甲烷干整催化劑的開(kāi)發(fā)提供了新思路，相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》上。 相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B)“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、中科院潔凈能源研究院合作基金以及興遼計(jì)劃青年人才等項(xiàng)目的資助。同時(shí)，這也是獻(xiàn)禮大連化物所七十周年所慶文章之一。
(文/圖 喬波濤、Mochin AKRI)
