【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室納米與界面催化研究中心(502組群)與計算和數(shù)據(jù)驅(qū)動催化研究組(511組)等合作，開發(fā)了電-熱耦合催化新過程，實現(xiàn)甲烷超干重整直接制備合成氣。
我國海域范圍內(nèi)擁有豐富的油氣資源，然而海域氣田開采的天然氣中二氧化碳(CO2)含量普遍較高(20%至80%，通常被稱為“富碳天然氣”)，必須進行CO2脫除處理才能進一步輸送和使用。然而，CO2分離過程增加了能源消耗，同時引起天然氣的夾帶損失，增加了富碳天然氣資源開采和使用成本。因此，亟需發(fā)展富碳天然氣直接利用的新技術(shù)，支撐我國海洋油氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
考慮到固體氧化物電解器(SOEC)運行溫度(600 oC至850 oC)與甲烷干重整(DRM)反應(yīng)溫度匹配，在本研究中，團隊基于SOEC，開發(fā)了電-熱耦合催化的甲烷超干重整新過程，將DRM、逆水氣變換(RWGS)、水電解反應(yīng)串聯(lián)耦合到SOEC陰極，電化學(xué)原位還原中間產(chǎn)物水(H2O)生成氫氣(H2)和氧離子(O2-)，O2-在電勢差的驅(qū)動下通過致密電解質(zhì)膜在SOEC陽極電化學(xué)氧化為氧氣(O2)，進而拉動RWGS反應(yīng)正向進行，突破熱力學(xué)平衡限制，大幅提升了CO2轉(zhuǎn)化率和H2選擇性。團隊在CeO2-x載體表面，原位溶出穩(wěn)定的銠(Rh)納米顆粒，提供了高密度Ce3+-VO-Rhδ+界面活性位點，當CO2和甲烷(CH4)體積比為4時，電-熱耦合催化實現(xiàn)了94.5%CH4轉(zhuǎn)化率與95.0%CO2轉(zhuǎn)化率，一氧化碳(CO)和H2產(chǎn)物的選擇性接近100%，CH4的表觀還原能力接近4.0，達到理論值。進一步，團隊利用高溫氣氛電子顯微鏡和高溫電化學(xué)原位譜學(xué)表征并結(jié)合理論計算，揭示了Rhδ+為甲烷裂解的活性位，富含氧空位的Ce3+-VO-Rhδ+界面可實現(xiàn)CO2吸附活化，以及為RWGS反應(yīng)提供活性位。此外，該界面電催化還原H2O生成的H2，可進一步促進CO2轉(zhuǎn)化。
相關(guān)研究成果以“Super-dry reforming of methane using a tandem electro-thermocatalytic system”為題，發(fā)表在《自然-化學(xué)》(Nature Chemistry)上。該工作的共同第一作者是502組群呂厚甫博士、李榮坦博士和511組董雪博士。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實驗室等項目的資助。
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