物質學院楊波課題組提出鎳基甲烷干重整催化劑理論設計的新策略

ON2020-02-21文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

近日,我校物質學院楊波課題組在理論輔助甲烷干重整催化劑設計方面取得了重要進展。該工作以摻雜了少量錫的鎳基催化劑為研究對象,從理論研究方面分析了錫對催化劑活性與穩定性的影響,并據此提煉出可用于篩選甲烷干重整反應催化劑的描述符,為篩選與設計具有兼具高反應活性與高穩定性的催化劑提供了新方向。該成果以“Descriptor Design in the Computational Screening of Ni-Based Catalysts with Balanced Activity and Stability for Dry Reforming of Methane Reaction”為題發表在國際知名學術期刊ACS Catalysis

甲烷干重整反應,因其以重要溫室氣體甲烷與二氧化碳為反應物,且產物為可進一步利用的合成氣而受到廣泛關注。鎳催化劑由于反應活性較高,儲量豐富、價格低廉而被認為可代替貴金屬催化劑用于催化該反應。然而鎳催化劑在甲烷干重整反應條件下普遍會由于產生積碳而失活,研究中通常采用助劑摻雜的方法對催化劑進行改性。由于當前對助劑如何影響催化劑的穩定性與活性欠缺深層次理解,獲得兼具高穩定性與高活性的催化劑仍是研究中的一大挑戰。

該工作首先選取了實驗中已報道的少量錫摻雜的鎳這一能夠有效抑制積碳的催化劑為對象,利用密度泛函理論結合微觀動力學模擬的方法,深入研究了錫對催化劑活性與穩定性的影響。研究發現,由于摻雜的錫減弱了催化劑表面碳的吸附,同時升高了甲烷解離的能壘,使得高溫下的速控步驟從純鎳上的二氧化碳解離變化為甲烷解離,導致了反應活性和表面積碳程度的降低。在此基礎上,該工作發展了新的分析方法,提出當催化劑表面碳生成過程為速控過程時,催化劑的抗積碳性將得到極大提高,并據此總結出了表面碳吸附能以及甲烷與二氧化碳解離自由能壘作為快速判斷催化劑活性與穩定性的描述符。最后,使用以上描述符對不同金屬摻雜的鎳基催化劑進行篩選,其結果能夠很好地解釋已有實驗報道,并且指出了鋁與鋅可能是潛在的良好助劑可使鎳基催化劑具有較高活性與穩定性。

該項研究成果,我校物質學院2017級博士研究生陳姝樾為第一作者,楊波教授為通訊作者,上科大為第一單位。該研究獲得了國家自然科學基金委員會“碳基能源轉化利用的催化科學”重大研究計劃培育項目與上海市教委青年東方學者計劃支持,相關計算在校圖信中心高性能計算平臺與上海超算中心完成。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.9b04429

圖注:不同金屬助劑摻雜的鎳基催化劑表面甲烷與二氧化碳解離自由能壘隨表面碳吸附能的變化趨勢。若甲烷解離能壘高于二氧化碳解離能壘則抗積碳能力較強,若二者均較低則催化活性較高。