我校物质学院杨波课题组在甲烷干重整催化剂设计方面取得重要进展

我校物质学院杨波课题组在甲烷干重整催化剂设计方面取得重要进展

近日，我校材料科学与工程学院杨波课题组在理论辅助甲烷干重整催化剂设计方面取得重要进展。该工作以掺杂少量锡的镍基催化剂为研究对象，从理论研究角度分析锡对催化剂活性和稳定性的影响，提取出可用于筛选甲烷干重整反应催化剂的描述符，为筛选和设计兼具高反应性和高稳定性的催化剂提供了新的方向。该成果以“in of Ni-Based with and for Dry of”为题发表在国际知名学术期刊ACS上。

甲烷干重整反应因以重要的温室气体甲烷和二氧化碳为反应物，并生成可进一步利用的合成气而受到广泛关注。镍催化剂由于反应活性高、储量丰富、价格低廉，被认为是催化该反应的贵金属催化剂的替代品。然而，镍催化剂在甲烷干重整反应条件下一般会因积碳的形成而失活。在研究中，通常采用掺杂添加剂的方法对催化剂进行改性。由于对添加剂如何影响催化剂的稳定性和活性缺乏深入了解，获得同时具有高稳定性和高活性的催化剂仍然是研究的一大挑战。

图片说明：掺杂不同金属添加剂的镍基催化剂表面甲烷和二氧化碳解离自由能垒随表面碳吸附能的变化趋势。甲烷解离能垒高于二氧化碳解离能垒，抗积碳能力强，若两者均较低，催化活性较高。

本工作首先选取实验上已报道的少量锡掺杂镍，有效抑制积碳，采用密度泛函理论结合微观动力学模拟对催化剂进行研究，深入研究了锡对催化剂活性和稳定性的影响。研究发现，由于掺杂的锡削弱了碳在催化剂表面的吸附，增加了甲烷解离的能垒，导致高温下的控速步骤由纯镍上的二氧化碳解离变为甲烷解离，从而导致反应活性下降和表面积碳。在此基础上，本工作发展了一种新的分析方法，提出当催化剂表面生碳过程为控速过程时，催化剂的抗积碳能力将大大提高，并在此基础上总结出表面碳吸附能、甲烷和二氧化碳解离自由能垒作为快速判断催化剂活性和稳定性的描述符。最后，利用上述描述符对不同金属掺杂的镍基催化剂进行筛选。 研究结果很好地解释了现有的实验报道，并指出铝和锌可能是潜在的良好添加剂，使镍基催化剂具有更高的活性和稳定性。

该项研究成果为该项研究的第一作者，物质学院2017级博士生陈淑月，杨波教授为通讯作者，上海科技大学为第一单位。该项研究得到了国家自然科学基金重大研究计划“碳基能源转化与利用的催化科学”和上海市教委的资助。相关计算在学院信息与通信中心和上海超级计算中心的高性能计算平台上完成。

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