Nano Res.│西北工业大学张秋禹教授、张和鹏教授课题组：追本溯源！利用原位红外技术探究Ni掺杂CeO₂催化逆水煤气反应机理

背景介绍

大气中CO₂浓度的增加导致严重的温室效应和全球变暖。由于CO可以通过费托合成制备多种高附加值化学品， 因此热催化还原CO₂制备CO（RWGS反应）是一种有效的实现碳封闭循环的策略。如前所述，RWGS反应为一吸热过程，高温（> 500 °C）有利于CO₂向CO的转化，提高反应的选择性，但此时存在高耗能的问题。降低反应温度虽然可以减少能量消耗，但低的CO₂转化率以及副产物CH₄的生成都限制了低温RWGS反应的发展。因此探究低温下具有高反应活性、高选择性以及高CO₂转化效率的催化剂成为RWGS反应领域研究的重点。。

成果简介

西北工业大学张和鹏教授团队以Ni为掺杂剂，制备了一种高活性、高稳定性的Ni掺杂CeO₂催化剂（1.0-Ni-CeO₂），并将其用于低温催化逆水煤气反应的研究。结果显示，在300 ℃、质量空速为60000 mL·g⁻¹·h⁻¹时， CO的选择性为100%，1.0-Ni-CeO₂单位质量Ni的CO生成速率可达1382 mmol·g_Ni⁻¹·h⁻¹。DFT计算和原位漫反射红外（DRIFTS）结果表明，H₂在1.0-Ni-CeO₂表面氧空位处发生异裂，形成Ce³⁺-OH和Ce-H物种，Ni的掺杂大幅提高了Ce-H物种的稳定性。CO₂优先与Ce³⁺-OH发生作用形成碳酸氢盐，而Ce-H物种释放的H^-进一步将碳酸氢盐还原，经甲酸盐中间体最终生成CO。本工作的新发现为进一步深入了解RWGS反应机理奠定基础，同时也为设计经济、高效和稳定的低温 RWGS反应催化剂提供了一种新的思路。

作者简介

张和鹏，教授，博士生导师，西北工业大学化学与化工学院先进化工中心主任。主要的研究方向为高催化活性类贵金属无机氧化物催化剂构筑与催化机理研究。主持包括国家配套项目、国防科技创新特区项目、总装预研基金、陕西省自然科学基金等在内的多项项目。获批国家专利30余项，以第一或通讯作者在AFM、Applied Catalysis B-Environmental、ACS Catalysis、Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文50余篇。相关研究成果获国家科技进步二等奖1项（本人排名第三）、陕西省科技进步等奖3项。

文章信息

Haidong Shen, Yujuan Dong, Shaowei Yang, Yuan He, Qimeng Wang, Yueling Cao, Wenbin Wang, Tianshuai Wang^*, Qiuyu Zhang^* & Hepeng Zhang^*. Identifying the roles of Ce³⁺−OH and Ce−H in the reverse water-gas shift reaction over highly active Ni-doped CeO₂ catalyst. Nano Research https:///10.1007/s12274-022-4207-8.

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