《文章投稿》光誘導(dǎo)加速氧遷移速率實現(xiàn)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(dǎo)加速氧遷移速率實現(xiàn)了甲烷的高效干重整

頁碼：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(qū)信息：JCR分區(qū)：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

文章簡介：

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

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

該反應(yīng)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，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(yīng)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(dǎo)致他們具有化學(xué)穩(wěn)定性，所以需要高溫來推動反應(yīng)向前發(fā)展。

而較高的反應(yīng)溫度則會帶來一系列的問題，其中高溫催化劑燒結(jié)和積碳是影響反應(yīng)速率和循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在動力學(xué)方面，DRM最初涉及甲烷在金屬活性位點解離為碳和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(yīng)生成CO。因此，氧的遷移速度是影響反應(yīng)動力學(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性而受到限制，這是強金屬-氧鍵相互作用的結(jié)果，因此需要合適的方法來增加氧遷移速率，從而提高反應(yīng)速率和減少碳沉積。在DRM中引入清潔和綠色能源太陽能，可降低反應(yīng)溫度，降低能耗，有效減少碳沉積。

本研究以Ti3C2Tx為前驅(qū)體的非團聚二氧化鈦為載體，富氧CeO2為助劑，錨定單個Ru原子，合成了TiO2/CeO2/Ru（TCR）復(fù)合催化劑。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于促進光吸收和抑制光子-空穴復(fù)合，顯著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(xiàn)出較好的甲烷轉(zhuǎn)化率（98.9 %）、H2生成速率（496.3 mmol g?1h?1）和H2/CO比值。通過原位X射線光電子能譜（IS-XPS）和密度泛函理論（DFT），我們發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)電子在Ti和Ce之間轉(zhuǎn)移，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，加速了氧原子從晶格氧向氧空位的遷移。

這一現(xiàn)象不僅提高了光催化效率，而且顯著降低了催化劑表面的碳沉積，從而增強了其循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過延長的100 h反應(yīng)周期后，該催化劑在光照條件下表現(xiàn)出顯著的循環(huán)穩(wěn)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(wěn)定的單原子光熱催化劑的戰(zhàn)略設(shè)計和合成開辟了前進的道路。

此外，它也為高效利用太陽光進行節(jié)能化學(xué)過程提出了新的見解。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. /