《文章投稿》光诱导加速氧迁移速率实现了甲烷的高效干重整

1. 文章信息

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

中文标题：光诱导加速氧迁移速率实现了甲烷的高效干重整

页码：1001-1010

DOI：10.1016/j.jcis.2024.07.194

2. 文章链接

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年影响因子：9.3

分区信息：JCR分区：Q1

涉及研究方向：光热催化

4. 作者信息：第一作者是李振德。通讯作者为王维龙。

5.文中所用产品型号：CEL-GPPCM

文章简介：

甲烷的利用产生了大量的二氧化碳，导致了温室效应等一系列问题，因此，低碳、高效地利用甲烷尤为重要。甲烷干重整（DRM）是解决这一问题的有效方法，通过将甲烷和二氧化碳转化为CO和H2 .反应方程式如下：

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

该反应产生的H2与CO的理论比值为1：1，不仅有利于碳中和碳达峰目标的达成，同时，产物是快速合成费托合成气的重要前体。因此，甲烷干重整反应的发展对于全球碳循环具有重要意义。然而，甲烷（C-H为434kJmol−1）和二氧化碳（C-O为805kJmol−1）的高键解离能，加上它们的低极化率，导致他们具有化学稳定性，所以需要高温来推动反应向前发展。

而较高的反应温度则会带来一系列的问题，其中高温催化剂烧结和积碳是影响反应速率和循环稳定性的关键。在动力学方面，DRM最初涉及甲烷在金属活性位点解离为碳和H2，而二氧化碳吸附在载体上，解离为CO 。随后，从甲烷中释放的碳与支撑基体中的晶格氧反应生成CO。因此，氧的迁移速度是影响反应动力学和碳沉积程度的关键因素。

值得注意的是，金属氧化物作为催化剂载体的广泛使用由于其固有的低氧流动性而受到限制，这是强金属-氧键相互作用的结果，因此需要合适的方法来增加氧迁移速率，从而提高反应速率和减少碳沉积。在DRM中引入清洁和绿色能源太阳能，可降低反应温度，降低能耗，有效减少碳沉积。

本研究以Ti3C2Tx为前驱体的非团聚二氧化钛为载体，富氧CeO2为助剂，锚定单个Ru原子，合成了TiO2/CeO2/Ru（TCR）复合催化剂。这种异质结构有助于促进光吸收和抑制光子-空穴复合，显著增强了光热催化甲烷干重整（DRM）的性能。

在光照条件下，催化剂表现出较好的甲烷转化率（98.9 %）、H2生成速率（496.3 mmol g−1h−1）和H2/CO比值。通过原位X射线光电子能谱（IS-XPS）和密度泛函理论（DFT），我们发现光诱导电子在Ti和Ce之间转移，发生氧化还原反应，加速了氧原子从晶格氧向氧空位的迁移。

这一现象不仅提高了光催化效率，而且显著降低了催化剂表面的碳沉积，从而增强了其循环稳定性。经过延长的100 h反应周期后，该催化剂在光照条件下表现出显著的循环稳定性，与所报道的催化剂相当，甚至更高。我们的研究不仅验证了该材料在光热催化DRM领域的巨大前景，而且为高效、稳定的单原子光热催化剂的战略设计和合成开辟了前进的道路。

此外，它也为高效利用太阳光进行节能化学过程提出了新的见解。相关研究成果以“Efficient dry reforming of methane realized by photoinduced acceleration of oxygen migration rate"为题在《Journal of Colloid And Interface Science》期刊上发表。王维龙教授为该论文的通讯作者，博士生李振德为该论文的第一作者。

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. /