《文章投稿》光誘導加速氧遷移速率實(shí)現了甲烷的高效干重整

1. 文章信息

標題：Efficient dry reforming of methane realized by photoinduced acceleration of oxygen migration rate

中文標題：光誘導加速氧遷移速率實(shí)現了甲烷的高效干重整

頁(yè)碼：1001-1010

DOI：10.1016/j.jcis.2024.07.194

2. 文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.07.194

3. 期刊信息

期刊名：Journal of Colloid And Interface Science

ISSN：0021-9797

2024年影響因子：9.3

分區信息：JCR分區：Q1

涉及研究方向：光熱催化

4. 作者信息：第一作者是李振德。通訊作者為王維龍。

5.文中所用產(chǎn)品型號：CEL-GPPCM

文章簡(jiǎn)介：

甲烷的利用產(chǎn)生了大量的二氧化碳，導致了溫室效應等一系列問(wèn)題，因此，低碳、高效地利用甲烷尤為重要。甲烷干重整（DRM）是解決這一問(wèn)題的有效方法，通過(guò)將甲烷和二氧化碳轉化為CO和H2 .反應方程式如下：

CH4+CO2→2H2+2CO            ΔH298K=+247 kJ mol-1

該反應產(chǎn)生的H2與CO的理論比值為1：1，不僅有利于碳中和碳達峰目標的達成，同時(shí)，產(chǎn)物是快速合成費托合成氣的重要前體。因此，甲烷干重整反應的發(fā)展對于全球碳循環(huán)具有重要意義。然而，甲烷（C-H為434kJmol?1）和二氧化碳（C-O為805kJmol?1）的高鍵解離能，加上它們的低極化率，導致他們具有化學(xué)穩定性，所以需要高溫來(lái)推動(dòng)反應向前發(fā)展。

而較高的反應溫度則會(huì )帶來(lái)一系列的問(wèn)題，其中高溫催化劑燒結和積碳是影響反應速率和循環(huán)穩定性的關(guān)鍵。在動(dòng)力學(xué)方面，DRM最初涉及甲烷在金屬活性位點(diǎn)解離為碳和H2，而二氧化碳吸附在載體上，解離為CO 。隨后，從甲烷中釋放的碳與支撐基體中的晶格氧反應生成CO。因此，氧的遷移速度是影響反應動(dòng)力學(xué)和碳沉積程度的關(guān)鍵因素。

值得注意的是，金屬氧化物作為催化劑載體的廣泛使用由于其固有的低氧流動(dòng)性而受到限制，這是強金屬-氧鍵相互作用的結果，因此需要合適的方法來(lái)增加氧遷移速率，從而提高反應速率和減少碳沉積。在DRM中引入清潔和綠色能源太陽(yáng)能，可降低反應溫度，降低能耗，有效減少碳沉積。

本研究以Ti3C2Tx為前驅體的非團聚二氧化鈦為載體，富氧CeO2為助劑，錨定單個(gè)Ru原子，合成了TiO2/CeO2/Ru（TCR）復合催化劑。這種異質(zhì)結構有助于促進(jìn)光吸收和抑制光子-空穴復合，顯著(zhù)增強了光熱催化甲烷干重整（DRM）的性能。

在光照條件下，催化劑表現出較好的甲烷轉化率（98.9 %）、H2生成速率（496.3 mmol g?1h?1）和H2/CO比值。通過(guò)原位X射線(xiàn)光電子能譜（IS-XPS）和密度泛函理論（DFT），我們發(fā)現光誘導電子在Ti和Ce之間轉移，發(fā)生氧化還原反應，加速了氧原子從晶格氧向氧空位的遷移。

這一現象不僅提高了光催化效率，而且顯著(zhù)降低了催化劑表面的碳沉積，從而增強了其循環(huán)穩定性。經(jīng)過(guò)延長(cháng)的100 h反應周期后，該催化劑在光照條件下表現出顯著(zhù)的循環(huán)穩定性，與所報道的催化劑相當，甚至更高。我們的研究不僅驗證了該材料在光熱催化DRM領(lǐng)域的巨大前景，而且為高效、穩定的單原子光熱催化劑的戰略設計和合成開(kāi)辟了前進(jìn)的道路。

此外，它也為高效利用太陽(yáng)光進(jìn)行節能化學(xué)過(guò)程提出了新的見(jiàn)解。相關(guān)研究成果以“Efficient dry reforming of methane realized by photoinduced acceleration of oxygen migration rate"為題在《Journal of Colloid And Interface Science》期刊上發(fā)表。王維龍教授為該論文的通訊作者，博士生李振德為該論文的第一作者。

Fig. 1. TiO2/CeO2/Ru catalysts: (a) Experimental process diagram. (b, c) HTEM images. (d) SEAD pattern. (e) XRD spectra. (f) Aberration corrected HAADF-STEMimages. (g) Elemental distribution. XPS spectra of (h) O 1 s, (i) Ru 3p, (j) Ti 2p. /