

【图文解读】
图1 反应网络分析与热力学评估
图1通过对比传统氧化催化(Pathway a)与金属-氧化耦合路径(Pathways b–f),揭示了Ni-FeOx体系在热力学上的优势。计算表明,在600–650℃范围内,耦合路径的吉布斯自由能(ΔG)显著低于单一氧化路径,说明Ni的引入使甲烷重整从单一不利反应转变为一系列有利的串联反应。该图还指出CO₂是适合再生FeOx的氧化剂,为化学循环POR(CL-POR)提供了热力学依据。
图2 Ni-FeOx催化体系的POR性能
图2展示了Ni-FeOx体系在低温下的优异催化活性。Ni-10FeOx自350℃即启动反应,在550–650℃区间内H₂/CO比接近2,符合理想POR化学计量。Ni-5FeOx在700℃下实现89.9%甲烷转化,合成气产率达9.7 mmol·g⁻¹,明显优于多数已报道催化剂。表观活化能随FeO/Ni比增加而降低,说明活性位点比例调控对界面催化至关重要。
图3 活性位点转移的实验证据
通过TEM-EDXS与XPS分析(图3b–c),发现反应后碳物种主要富集在Fe区域,且出现Fe₃C特征峰,表明CHₓ⁺从Ni位点迁移至FeOx参与反应。原位DRIFTS谱(图3d)显示Ni-5Fe₃O₄上未见Ni-CO特征峰,说明CO形成位点已转移至FeOx。Raman谱(图3f)进一步证实FeOx位点抑制了石墨碳的形成,体现了其氧化刻蚀碳物种的作用。
图4 反应路径与电荷分布的理论阐释
DFT计算(图4a–b)表明,CH₃⁺在FeOx上脱氢能垒(5.36 eV)远低于在Ni上(28.54 eV),从能量角度证实了活性位点转移的合理性。电荷密度差分析(图4c)显示Ni区域失电子、FeOx区域得电子,这种由Ni-FeOx电子相互作用引起的电荷定向分布促进了CH₃⁺的界面迁移。XPS中Ni⁰峰左移0.55 eV(图4d)进一步验证了金属-氧化物间的强电子耦合。
【结论】
总之,本研究提出了一种通过Ni-FeOx界面“活性位点转移”策略,实现了金属与氧化催化的高效耦合。该机制使CHₓ⁺中间体从金属Ni位点迁移至FeOx位点完成后续转化,不仅提高了金属位点的周转频率,还从根本上抑制了积碳形成。Ni-5FeOx在≤700℃下表现出高活性、高选择性及优良的抗积碳稳定性,其合成气产率与循环稳定性均优于当前多数耦合催化体系。该工作为设计高效金属-氧化物界面催化剂提供了新思路,未来可探索该机制在其他金属-氧载体体系中的普适性,并进一步优化载体结构以提升催化体系的工业应用潜力。
Active‐Site Shifting on the Ni‐FeO x Interface Bridges Metallic and Oxidative Catalysis for Efficient Methane Partial Oxidation. Wen Liu;Siqi Tang;Wenqi Sang;Chen Fan;Xizhe Zhang;Weixin Xu;Shuangmei Han;Jianguo Jiang;Sicong Tian;Lujia Han. ISSN: 1433-7851 , 1521-3773; DOI: 10.1002/anie.202518088. Angewandte Chemie. , 2026.
