第一作者:Zheyuan Ding, Sai Chen
通讯作者:巩金龙
通讯单位:天津大学
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
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。
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。
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。
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。
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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