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（CO、NO_x、SO₂、dye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CO和CO₂转化率分别为94%和76%，明显高于热催化条件下的89%和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CO₂^δ−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。

图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。