近日，化學(xué)工程學(xué)院磷化工團(tuán)隊(duì)祖運(yùn)副教授、梅毅教授聯(lián)合遼寧省石油化工催化科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋麗娟教授團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF=20.2）發(fā)表。昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院為論文第一通訊單位，2022級(jí)碩士研究生張全淇為論文第一作者，祖運(yùn)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(tái)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(diǎn)，被認(rèn)為在MDR反應(yīng)中具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可行性。然而，該催化劑不可避免地面臨著燒結(jié)和積碳兩個(gè)共性問(wèn)題。通過(guò)加強(qiáng)金屬和載體之間的相互作用，可以提高催化劑的抗燒結(jié)性能，但碳沉積的挑戰(zhàn)依然很艱巨。一般情況下，積碳會(huì)導(dǎo)致催化劑的線性和非線性失活，這是由于目前對(duì)關(guān)鍵的“瞬態(tài)碳”的定義不明確。一旦積碳速率超過(guò)碳移除速率，就會(huì)使易去除的“瞬態(tài)碳”轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以去除的“石墨化碳”，覆蓋催化劑的活性位點(diǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(duì)于設(shè)計(jì)性能更好、抗碳性更強(qiáng)的MDR催化劑至關(guān)重要。
基于此，磷化工團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)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(dǎo)MDR反應(yīng)中由于碳沉積引起的常見(jiàn)線性和非線性催化劑失活，以破譯碳足跡。多項(xiàng)證據(jù)表明，由多個(gè)苯基環(huán)通過(guò)CHx*碎片的快速重排組成的“瞬態(tài)碳”是催化劑失活的關(guān)鍵風(fēng)向標(biāo)。據(jù)此，我們提出了“瞬態(tài)碳”生成與消除的動(dòng)態(tài)平衡理論。這種平衡的實(shí)現(xiàn)很大程度上取決于金屬Ni納米顆粒與NiOx(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/NiOx(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(yīng)路徑，為開(kāi)發(fā)高耐碳性催化劑提供了有價(jià)值的信息。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22362019）、云南省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目基金（202101BE070001-031，202301AT070445）、云南省“興滇英才支持計(jì)劃”青年人才專項(xiàng)以及云南省磷化工節(jié)能與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124722
