將CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品和燃料符合實(shí)現(xiàn)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(guò)CH4的熱催化干重整(DRM)反應(yīng)同時(shí)轉(zhuǎn)化CO2和CH4以產(chǎn)生合成氣(H2和CO)。熱力學(xué)上，DRM反應(yīng)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(gè)高度吸熱過(guò)程(ΔH298K=247 kJ mol?1)。因此該反應(yīng)通常需要高能耗和高反應(yīng)溫度(> 800 °C)以保持有利的催化活性，但苛刻的反應(yīng)條件導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)聚和碳沉積而遭受嚴(yán)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(yīng)的催化劑，如負(fù)載型貴金屬和非貴金屬催化劑。盡管已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但合理設(shè)計(jì)和制備高效催化劑以同時(shí)獲得高活性和高穩(wěn)定性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近日，北京化工大學(xué)衛(wèi)敏、楊宇森和中國(guó)石油大學(xué)(北京)崔國(guó)慶等通過(guò)簡(jiǎn)單的浸漬-還原方法制備了CeO2負(fù)載的Ir納米團(tuán)簇催化劑(Ir/CeO2-x)，其能夠高效穩(wěn)定催化DRM反應(yīng)。HAADF-STEM、準(zhǔn)原位XPS和原位XAFS證實(shí)了Ir/CeO2-x中Irδ+-Ov-Ce3+界面結(jié)構(gòu)的形成，其濃度可以通過(guò)調(diào)節(jié)Ir負(fù)載量來(lái)調(diào)節(jié)。性能測(cè)試結(jié)果顯示，最佳的0.6% Ir/CeO2-x催化劑在700 °C下表現(xiàn)出高CH4(~72%)和CO2(~82%)轉(zhuǎn)化率，CH4反應(yīng)速率為?973 μmolCH4 gcat-1 s-1；并且，該催化劑在連續(xù)反應(yīng)100 h過(guò)程中的CH4和CO2轉(zhuǎn)化率幾乎保持不變，且反應(yīng)結(jié)束后材料的形貌和結(jié)構(gòu)仍保持良好，顯示出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。動(dòng)力學(xué)研究、原位光譜表征和理論計(jì)算表明，CH4的解離是DRM反應(yīng)的速率控制步驟，由于界面協(xié)同催化作用，其活化能顯著減少。同時(shí)，界面Irδ+-Ov-Ce3+位點(diǎn)作為內(nèi)在活性中心：CH4分子在界面Irδ+位點(diǎn)進(jìn)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(chǎn)生CH2O*，隨后CH2O*脫氫產(chǎn)生CO和H2；而氧物種可以通過(guò)Ov活化吸附的CO2來(lái)補(bǔ)充。總的來(lái)說(shuō)，這種界面協(xié)同催化不僅增強(qiáng)了DRM反應(yīng)的催化活性，而且抑制了CH2*過(guò)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
