第一作者：Zheyuan Ding, Sai Chen

通訊作者：鞏金龍

通訊單位：天津大學(xué)

甲烷部分氧化（POM）是一種很有前途的合成氣合成技術(shù)，但它在催化劑表面面臨嚴(yán)重的過(guò)氧化。本論文研究了一種原子級(jí)分散的MoNi合金催化劑，用于甲烷的部分氧化反應(yīng)（POM），對(duì)于合成合成氣具有廣闊的前景。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)原子級(jí)分散MoNi合金中的氧（O*）吸附位點(diǎn)，可以在800 °C下實(shí)現(xiàn)超過(guò)95%的甲烷轉(zhuǎn)化率和97%的合成氣選擇性。通過(guò)結(jié)合原位/非原位表征、動(dòng)力學(xué)分析和密度泛函理論（DFT）計(jì)算，揭示了Mo-Ni雙位點(diǎn)在MoNi合金中降低O₂對(duì)Ni位點(diǎn)的毒化作用，并保持了對(duì)甲烷部分氧化途徑的活化作用，該途徑遵循燃燒重整反應(yīng)（CRR）機(jī)制。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了通過(guò)設(shè)計(jì)具有可調(diào)O*吸附的原子級(jí)分散合金來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷轉(zhuǎn)化的有效性。

圖文導(dǎo)讀

圖1：原子級(jí)分辨的高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（AC-HAADF-STEM）圖像，展示了Ni、原子級(jí)分散的MoNi合金和5Ni1Mo合金的形態(tài)特征。

圖2：Ni K邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜，反映了Ni和MoNi合金之間的電子結(jié)構(gòu)變化。

圖3：不同催化劑的催化性能，包括甲烷轉(zhuǎn)化率和合成氣選擇性，以及AD MoNi合金/SBA-15催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

圖4：程序升溫表面反應(yīng)（TPSR）實(shí)驗(yàn)，展示了AD MoNi合金/SBA-15催化劑的POM機(jī)制。

圖5：CH₄-TPSR實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)順序分析，以及AD MoNi合金的相位圖和可能的結(jié)構(gòu)。

總結(jié)展望

本研究成功合成了原子級(jí)分散的MoNi合金催化劑，并通過(guò)精細(xì)調(diào)控O*吸附強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了高效的甲烷部分氧化反應(yīng)。該催化劑表現(xiàn)出了卓越的活性和選擇性，在800 °C下達(dá)到了超過(guò)95%的甲烷轉(zhuǎn)化率和97%以上的合成氣選擇性。

本研究不僅為理解合金催化劑中甲烷轉(zhuǎn)化的機(jī)制提供了深入見(jiàn)解，而且為輕質(zhì)烷烴的選擇性氧化和升級(jí)改造提供了有希望的前景，為異質(zhì)催化領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新道路。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Atomically dispersed MoNi alloy catalyst for partial oxidation of methane

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49038-x