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李洋洋等ChemCatChem封面文章:光辅助热催化促进CO/CO2甲烷化反应的机理研究
发布时间:2022-04-27

李洋洋等ChemCatChem封面文章:光辅助热催化促进CO/CO2甲烷化反应的机理研究

 

CO/CO2甲烷化反应是制备人造天然气(SNG)的一种有效途径,对于煤炭的清洁利用,合成氨原料气的净化以及温室气体CO2的转化与利用都具有非常重要的意义。在碳达峰,碳中和明确目标下,合成的天然气可作为过渡能源为建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系提供强有力的保障。

尽管甲烷化技术在实验和工业应用阶段已经取得较大的进展,但不可否认的是,目前甲烷化催化剂在工业应用方面仍有以下问题需要解决:(1)传统热催化反应带来良好反应物转化率的同时,也造成了催化剂积碳失活的缺点,且高温反应也会加剧逆反应的进行,从而降低产物CH4的选择性。(2)高温反应需要较高的温度,增加了反应能耗,并且对设备的要求更加苛刻,加大了工业应用的成本。因此,找到一种提升低温甲烷化性能、降低设备要求、增加催化稳定性的催化方式成为大家竞相研究的重点和热点。

石河子大学碳中和与环境催化剂技术研究团队(Carbon Neutralization and Environmental Catalytic Technology Laboratory,简称CN&ECTec Lab)致力于开发绿色、环保、高效的环境净化材料,从事的主要工作包含:环境吸附和催化材料的设计合成、结构与性质表征、形成机理、性能评价与应用研究;具有复杂层级结构的无机材料的仿生合成、结构与性质表征、形成机理及生态和生物学应用;难降解污染物的催化降解机理研究。其特色是将环境化学与材料化学、催化化学相结合,推动污染物吸附催化降解理论的发展,同时也为污染控制技术发展提供必要的理论和技术支持。特别是:

1)二氧化碳(CO2)的捕集、转化与利用;

2)污染性小分子(CONOxSO2dye等)的去除与清洁转化;

3)催化剂活性位点(界面调控、表面缺陷等)的构筑;

4)催化环境(光、热、电、等离子体等)的作用机制研究。

近日,该研究团队设计了一种负载型Ni/TiO2催化剂用于光热CO/CO2甲烷化反应,合成的光热催化剂Ni/TiO2在光照下能显著提高低温CO/CO2的转化率和CH4的选择性。催化剂表面的光生电子增强了中间物种的生成,促进了反应物气体的吸附和活化,降低了反应所需的活化能垒,最终提升了CO/CO2甲烷化反应的性能。

Ni/TiO2催化剂在300℃光热条件下的COCO2转化率分别为94%76%,明显高于热催化条件下的89%24%XPS分析和原位红外数据表明,光照情况下,催化剂表面发生了电荷转移,镍原子上的负电荷密度增加,促进了CO甲烷化过程中甲酸盐物种的生成,形成的CO2δ物种促进了CO2的活化。DFT计算证实了在光照情况下,电子从Ni/TiO2的价带转移到导带,催化剂表面的电子密度增加,反应的能垒降低,促进了甲烷化反应的进行。本研究为解决镍基催化剂存在的问题提供了一种实用的方法,也为今后的CO/CO2光热甲烷化反应机理分析提供了一定的思路。

1 光辅助热催化促进CO/CO2甲烷化反应的机理研究。

 

图2 封面图


相关工作以“Photo-assisted CO/CO2 methanation over Ni/TiO2 catalyst: experiment and density functional theory calculation”为题,作为封面文章,在国际期刊《ChemCatChem》上发表。该论文的第一作者为石河子大学化学化工学院硕士研究生李洋洋,通讯作者为石河子大学于锋教授、代斌教授和西南石油大学周莹教授。

 

文章信息Yangyang Li, Zhiqiang Rao, Zhisong Liu, Junming Zeng, Wentao Bao, Zijun Wang, Jiangbing Li, Feng Yu*, Bin Dai*, Ying Zhou*, Photo-assisted CO/CO2 methanation over Ni/TiO2 catalyst: experiment and density functional theory calculation, ChemCatChem, 2022, DOI: 10.1002/cctc.202200182

文章链接https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.202200182

期刊简介:《ChemCatChem》是国际催化化学领域的权威期刊,由Willy出版社出版发行,主要报道多相催化、均相催化、生物催化、纳米催化的基础理论研究成果,在催化化学领域具有较高的国际影响力。