中国农业大学田思聪,最新Angew:Ni-FeOx界面活性位点转移应用于高效甲烷氧化

第一作者： Wen Liu

通讯作者： 田思聪

通讯单位： 中国农业大学

甲烷的部分氧化重整能够提供化学反应中最为理想的合成气，作为目前依赖煤炭和石油资源的化学工业的替代原料。然而，在中等温度下实现有效的催化一直是个难题。

在此，本文报告了一种活性位点转移机制，该机制将金属催化和氧化催化内在地结合起来，以实现高效的甲烷重整。

要点1：

本文基于包含镍（Ni）和氧化铁（FeOx）这两种最常见的甲烷转化活性位点的金属-氧化协同催化体系，发现了金属和氧化活性位点能够以接力的方式协同作用于甲烷脱氢反应。作者将这一新发现称为活性位点转移机制。测试显示，当使用所开发的Ni-FeOx催化剂时，在89.9%的甲烷转化率下，每克催化剂可产生9.7 mmol的合成气，温度低于700 ℃。

要点2：

研究表明，所发现的机制包括CH3*物质从金属镍向FeOx的持续转移，这使得反应动力学得以显著提高（通过迅速释放被占据的镍位点），同时又避免了难以处理的碳沉积。由于金属镍和FeOx之间的电子相互作用引起的电荷取向分布，导致了活性位点转移的根本驱动力。

图1：耦合催化的反应网络研究和热力学见解。a）文献报道的反应途径和b）本研究中提出的耦合POR的金属和氧化催化的途径。c）通过连接编号的反应步骤显示的不同途径的热力学评估。d）CL-POR与Ni-POR的反应网络中涉及的反应的吉布斯自由能曲线。FeOx催化体系。

图2：Ni-FeOx催化体系的POR性能。a）在Fe3O4和Ni-10Fe3O4上甲烷程序升温重整过程中的气体浓度分布。b）热力学计算（线）和实验测定（正方形符号）H2/CO摩尔比作为温度的函数。c）在600 ℃下由于POR相对于Ni-10Fe3O4的CH4对H2和CO的选择性。d）使用不同Ni-FeOx催化体系的POR的Arrhenius图。e）Ni-5Fe3O4与其它金属-氧化物偶联催化剂的比较（实心符号）和氧化物催化剂不超过600 ℃、600 ℃至700 ℃和超过700 ℃的测试温度分别以圆形、三角形和正方形示出。f）在600 ℃下在Ni-5Fe3O4上进行的循环POR和氧化再生试验期间的合成气选择性和H2/CO摩尔比。

参考文献：

Wen Liu, Dr. Siqi Tang, Wenqi Sang. et al. Active-Site Shifting on the Ni-FeOx Interface Bridges Metallic and Oxidative Catalysis for Efficient Methane Partial Oxidation. Angew. (2025). 

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202518088

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