【海川化工科技前沿】大连化物所开发出Ni1-CeO2单原子光催化剂实现室温下甲烷高效转化制乙烷

我所开发出Ni1-CeO2单原子光催化剂实现室温下甲烷高效转化制乙烷

发布时间：2025-05-19


近日，我所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员团队联合清华大学唐军旺教授团队，设计合成了Ni1-CeO2单原子光催化剂，实现室温下甲烷高活性、高选择性地制备乙烷，并发现甲烷覆盖度与C-C键偶联制乙烷的选择性之间存在明显正向依赖关系。

甲烷是天然气的主要成分，将其转化为高附加值化学品意义重大，但传统的干/湿重整及费托合成需在700oC以上高温下进行。光催化技术能够在室温下活化惰性分子（如CH4），却难以兼顾高效C-H键活化与抑制过度氧化生成CO2。助催化剂修饰是光催化甲烷转化的常用策略，其既能促进电荷转移和抑制载流子复合，又可调节活性位点促进化学吸附活化。其中，Au、Pd等贵金属助催化剂已报道可显著提升乙烷选择性，但该效应仅局限于一些紫外响应的光催化材料。



本工作中，科研人员基于Lewis酸性载体有利于CH4吸附的启发，结合DFT计算对3d单原子金属助催化剂进行了筛选，进而制备了具有可见光响应的单原子镍修饰氧化铈催化剂（Ni1-CeO2），实现了甲烷高效转化制备乙烷。研究发现，负载的单原子Ni助催化剂可高效促进光生电荷分离，CeO2光催化剂表面酸性有利于CH4吸附，且甲烷的覆盖度与C-C偶联生成乙烷的选择性呈现正相关。科研人员设计合成了高效Ni1-CeO2催化剂，其在室温下连续350小时测试中可实现乙烷产率243μmol·g-1·h-1，以及约90%选择性，优于已报道的非贵金属光催化剂体系。

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本工作中，邓德会团队在前期研究C-H键活化以及低温活化甲烷的基础上（Nano Energy，2021；Chem，2019；Chem，2018；Nat. Commun.，2018；Sci. Adv.，2015），利用贵金属诱导还原的生长机制，制备了晶格限域Cu原子的二维Ru纳米片，其在室温条件下可催化甲烷和双氧水高选择性转化为C1含氧化合物，生成速率最高可达1533 mmol g-1Cu(surf.) h-1，选择性超过99%。团队结合谱学表征和密度泛函理论计算，发现限域在Ru纳米片边缘的Cu原子能够活化双氧水产生活性氧物种，从而以较低的活化能解离甲烷分子的C-H键，通过自由基机理将甲烷在室温下催化转化为甲基过氧化氢和甲醇等含氧化合物。该工作拓展了晶格限域配位不饱和活性中心催化甲烷低温转化的范畴，为设计新型高效甲烷低温转化催化剂提供了借鉴。


相关成果以“Boosting Room-temperature Conversion of Methane via Confining Cu Atoms in Ultrathin Ru Nanosheets”为题，于近日发表在Chem Catalysis上，并被选为封面文章（Front Cover）。该工作的第一作者是大连化物所509组博士后范锦昌和梁素霞博士。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”、中国博士后基金等项目的资助。

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(出处: 海川化工论坛)