天津大学巩金龙团队,最新Nature子刊!

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第一作者:Zheyuan Ding, Sai Chen

通讯作者:巩金龙

通讯单位:天津大学

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巩金龙,先后在天津大学、美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系获学士、硕士和博士学位,哈佛大学Whitesides实验室博士后。2010年起在天津大学化工学院任教授、博士生导师;是教育部低碳能源化工国际合作联合实验室主任;国家自然科学基金创新研究群体负责人、国家首批“万人计划”入选者、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、国家重点研发计划项目(基础前沿类)首席科学家。先后入选英国皇家化学学会(FRSC)、中国化工学会和中国化学会会士。分别于2021年和2023年当选为欧洲科学院(Academia Europaea)和加拿大工程院外籍院士。现任天津大学副校长,兼任第十三届全国青联副主席、国家级大学生创新创业训练计划专家组组长、教育部高等学校专业设置与教学指导委员会委员
论文速览

甲烷部分氧化(POM)是一种很有前途的合成气合成技术,但它在催化剂表面面临严重的过氧化。本论文研究了一种原子级分散的MoNi合金催化剂,用于甲烷的部分氧化反应(POM),对于合成合成气具有广阔的前景。

研究发现,通过调节原子级分散MoNi合金中的氧(O*)吸附位点,可以在800 °C下实现超过95%的甲烷转化率和97%的合成气选择性。通过结合原位/非原位表征、动力学分析和密度泛函理论(DFT)计算,揭示了Mo-Ni双位点在MoNi合金中降低O2对Ni位点的毒化作用,并保持了对甲烷部分氧化途径的活化作用,该途径遵循燃烧重整反应(CRR)机制。这些结果强调了通过设计具有可调O*吸附的原子级分散合金来实现甲烷转化的有效性。

图文导读

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图1:原子级分辨的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(AC-HAADF-STEM)图像,展示了Ni、原子级分散的MoNi合金和5Ni1Mo合金的形态特征。

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图2:Ni K边X射线吸收近边结构(XANES)光谱,反映了Ni和MoNi合金之间的电子结构变化。

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图3:不同催化剂的催化性能,包括甲烷转化率和合成气选择性,以及AD MoNi合金/SBA-15催化剂的长期稳定性测试结果。

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图4:程序升温表面反应(TPSR)实验,展示了AD MoNi合金/SBA-15催化剂的POM机制。

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图5:CH4-TPSR实验结果,反应顺序分析,以及AD MoNi合金的相位图和可能的结构。

总结展望

本研究成功合成了原子级分散的MoNi合金催化剂,并通过精细调控O*吸附强度,实现了高效的甲烷部分氧化反应。该催化剂表现出了卓越的活性和选择性,在800 °C下达到了超过95%的甲烷转化率和97%以上的合成气选择性。

本研究不仅为理解合金催化剂中甲烷转化的机制提供了深入见解,而且为轻质烷烃的选择性氧化和升级改造提供了有希望的前景,为异质催化领域的发展开辟了新道路。

文献信息

标题:Atomically dispersed MoNi alloy catalyst for partial oxidation of methane

期刊:Nature Communications

DOI:10.1038/s41467-024-49038-x

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