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稳定的Ni-Mo纳米催化剂负载在单晶MgO上对甲烷进行干重整

        随着工业化的快速发展,环境也随之受到了严重的污染,其中二氧化碳是污染源之一。由于二氧化碳的过量排放,没有可行的化学或物理方法来消除大量的二氧化碳,例如,单是人类呼吸每年就会产生2.7亿吨二氧化碳,而捕获这些二氧化碳需要27亿吨吸附剂。因此,将二氧化碳加入到燃料或化学品生产中,可能会产生切实的负排放。干重整反应是一种很有前途的方法,可以在不破坏现有基础设施的情况下解决二氧化碳排放过剩的问题。甲烷的干重整是利用二氧化碳为原料生成合成气(一氧化碳和氢气)的方法,进一步生成甲醇和乙醚,从而对二氧化碳的排放产生影响。然而,这一设想的主要障碍是缺乏耐久的重整催化剂。干重整催化剂也不例外,尽管氧化镁负载镍催化剂(Ni/MgO)很早就被确定为一种合适的非贵金属催化剂,但焦炭的快速形成和烧结阻碍了其工业化规模的实施。为了解决这一关键问题,选择无缺陷的单晶氧化镁(MgO)作为支撑,然后用镍-钼(Ni-Mo)阻断活性台阶边缘,实现催化剂的抗烧结和积碳。
       近期在《Science》上发表的文章,韩国科学技术院化学与生物分子工程系的科技人员采用纳米催化剂负载在单晶体边缘技术(NOSCE)制备镍-钼负载在单晶体氧化镁(Ni-Mo/MgO)催化剂。NOSCE可以防止催化剂载体的积碳,获得稳定的抗焦、耐烧结催化剂。Ni-Mo/MgO催化剂由镁片与二氧化碳燃烧生成单晶体MgO,然后将纳米MgO粉末加入到含镍的NiCl2Ÿ6H2O和含钼的(NH4)6MoO24Ÿ4H2O的乙二醇溶液中进行混合,再向其加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和肼(N2H4)在80℃下制备Ni-Mo/MgO催化剂,PVP和N2H4分别起到还原作用和确保尺寸控制,晶体平均直径为2.9 nm。当比较这些活性值时,NiMoCat显示出远优于许多在甲烷干重整的传统催化剂和文献中报道的催化剂(如Ni-SiO2@CeO2、Ru-Co@ SiO2-P、Ni@ SiO2和Ni/ZrO2等)的活性和稳定性,并且在连续在800℃下运行850h,其稳定性仍然很好。除了NOSCE所产生的独特的边缘结构优势外,科技人员发现Mo的嵌入对于高转化率是至关重要的。如果没有钼的嵌入,转化率将降低20%。
       Hu 和 Ruckenstein在《Science》中对其文中的表述产生了不同的看法。评论中指出其文章表述忽略了已报道的高效Ni/MgO固溶催化剂,并夸大了Mo嵌入的Ni/MgO催化剂在甲烷干重整中的创新性和重要性。1995年,《Applied Catalysis A: General》报道的Ni/MgO固溶催化剂在干重整中效率高、稳定性好,优于掺杂Mo的Ni/MgO催化剂。Song和Ozdemir在《Science》回复中指出,他们的论点没有考虑到Ni-Mo/MgO催化剂和NiO/MgO制备之间的根本区别,从而导致对载体的活性位点的控制能力的不同。
研究高活性、高耐久性的负载型金属催化剂在高温环境下的应用,对化学工业具有重要意义。催化剂载体上的缺陷会产生消极的作用,产生积碳使催化剂失活。NOSCE技术可以消除催化反应中的载体边缘结构缺陷,防止积碳,获得稳定的抗焦、耐烧结催化剂。这一发现将可能推动用于许多具有挑战性的纳米催化剂的快速发展,为其工业化应用铺平道路。(来源:QYIM & AMSC B ZHU编报)

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