近日，化學工程學院磷化工團隊祖運副教授、梅毅教授聯(lián)合遼寧省石油化工催化科學與技術重點實驗室宋麗娟教授團隊圍繞破譯甲烷干重整在鎳基納米片分子篩催化劑上瞬態(tài)碳足跡的最新研究成果“Deciphering Transient Carbon Footprint for Methane Dry Reforming over Ni@S-1 Nanosheet Zeolite Catalyst”在環(huán)境和能源催化領域著名學術期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.2）發(fā)表。昆明理工大學化學工程學院為論文第一通訊單位，2022級碩士研究生張全淇為論文第一作者，祖運副教授為論文通訊作者。

甲烷干重整（MDR）制合成氣（CO和H₂）已成為溫室氣體（CH₄和CO₂）的高容量利用和工業(yè)平臺分子合成的橋梁。與貴金屬作為活性組分相比，鎳基催化劑具有活性高、資源豐富、成本低等優(yōu)點，被認為在MDR反應中具有大規(guī)模工業(yè)應用的可行性。然而，該催化劑不可避免地面臨著燒結和積碳兩個共性問題。通過加強金屬和載體之間的相互作用，可以提高催化劑的抗燒結性能，但碳沉積的挑戰(zhàn)依然很艱巨。一般情況下，積碳會導致催化劑的線性和非線性失活，這是由于目前對關鍵的“瞬態(tài)碳”的定義不明確。一旦積碳速率超過碳移除速率，就會使易去除的“瞬態(tài)碳”轉變?yōu)殡y以去除的“石墨化碳”，覆蓋催化劑的活性位點，導致轉化率下降。因此，為了減少難以去除的“石墨化碳”的出現(xiàn)，深入了解“瞬態(tài)碳”足跡對于設計性能更好、抗碳性更強的MDR催化劑至關重要。

基于此，磷化工團隊巧妙地設計了面向b軸取向的Ni@S-1納米片分子篩催化劑，有目的地誘導MDR反應中由于碳沉積引起的常見線性和非線性催化劑失活，以破譯碳足跡。多項證據(jù)表明，由多個苯基環(huán)通過CH_x^*碎片的快速重排組成的“瞬態(tài)碳”是催化劑失活的關鍵風向標。據(jù)此，我們提出了“瞬態(tài)碳”生成與消除的動態(tài)平衡理論。這種平衡的實現(xiàn)很大程度上取決于金屬Ni納米顆粒與NiO_x(OH)_y的匹配度，兩者源自于受納米片厚度控制的1:1和2:1層狀硅酸鎳的演化。相比之下，所合成的Ni@S-1-60nm納米片分子篩催化劑因具有最佳的Ni⁰/NiO_x(OH)_y比例，故展現(xiàn)出可觀的MDR活性（CH₄: 79.8%；CO₂：86.5%）和耐久性（100 h）。這些發(fā)現(xiàn)衍生出了一條新的MDR反應路徑，為開發(fā)高耐碳性催化劑提供了有價值的信息。

上述研究工作得到了國家自然科學基金（22362019）、云南省基礎研究項目基金（202101BE070001-031，202301AT070445）、云南省“興滇英才支持計劃”青年人才專項以及云南省磷化工節(jié)能與新材料重點實驗室平臺的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124722