將CO2和CH4轉化為高附加值的化學品和燃料符合實現大規(guī)模固碳、減少碳排放和碳循環(huán)的要求。目前一種有前景的方法是通過CH4的熱催化干重整(DRM)反應同時轉化CO2和CH4以產生合成氣(H2和CO)。熱力學上，DRM反應涉及C-H鍵解離(439 kJ mol?1)和C=O鍵加氫(750 kJ mol?1)，這是一個高度吸熱過程(ΔH298K=247 kJ mol?1)。因此該反應通常需要高能耗和高反應溫度(> 800 °C)以保持有利的催化活性，但苛刻的反應條件導致納米顆粒團聚和碳沉積而遭受嚴重的催化劑失活。
在這種情況下，人們一直致力于探索高效的DRM反應的催化劑，如負載型貴金屬和非貴金屬催化劑。盡管已經取得了相當大的進展，但合理設計和制備高效催化劑以同時獲得高活性和高穩(wěn)定性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，北京化工大學衛(wèi)敏、楊宇森和中國石油大學(北京)崔國慶等通過簡單的浸漬-還原方法制備了CeO2負載的Ir納米團簇催化劑(Ir/CeO2-x)，其能夠高效穩(wěn)定催化DRM反應。HAADF-STEM、準原位XPS和原位XAFS證實了Ir/CeO2-x中Irδ+-Ov-Ce3+界面結構的形成，其濃度可以通過調節(jié)Ir負載量來調節(jié)。性能測試結果顯示，最佳的0.6% Ir/CeO2-x催化劑在700 °C下表現出高CH4(~72%)和CO2(~82%)轉化率，CH4反應速率為?973 μmolCH4 gcat-1 s-1；并且，該催化劑在連續(xù)反應100 h過程中的CH4和CO2轉化率幾乎保持不變，且反應結束后材料的形貌和結構仍保持良好，顯示出優(yōu)異的反應穩(wěn)定性。動力學研究、原位光譜表征和理論計算表明，CH4的解離是DRM反應的速率控制步驟，由于界面協同催化作用，其活化能顯著減少。同時，界面Irδ+-Ov-Ce3+位點作為內在活性中心：CH4分子在界面Irδ+位點進行活化吸附和解離形成CH2*物種和H2，然后CH2*被相鄰的氧物種氧化產生CH2O*，隨后CH2O*脫氫產生CO和H2；而氧物種可以通過Ov活化吸附的CO2來補充。總的來說，這種界面協同催化不僅增強了DRM反應的催化活性，而且抑制了CH2*過度分解造成碳沉積而引起催化劑失活。Facilitating the dry reforming of methane with interfacial synergistic catalysis in an Ir@CeO2?x catalyst. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48122-6
