高分散Ni金属纳米催化剂的制备及对CO2甲烷化催化性能研究

　　金属纳米催化剂广泛应用于诸多重要的多相催化过程中，其结构、组成、粒径、形貌的调控对增强催化活性与选择性至关重要。但与此同时，由于纳米粒子自身易团聚、高温烧结等特性的影响，导致其快速失活，影响服役寿命。因此，如何获得兼具高活性、高稳定性的金属纳米催化剂仍然是一个非常重要且具有挑战性的课题。 

　　Layered Double Hydroxides（LDHs）是一类经典的二维阴离子层状粘土材料，其最为重要的结构特征是LDHs层板中的M²⁺和M³⁺金属阳离子有序、均一分散。基于此特点，北京化工大学段雪教授、卫敏教授课题组，采用LDHs多级前体，通过原位还原过程，获得了锚定于多级结构Al₂O₃基底上的高分散、高稳定的Ni金属纳米催化剂；揭示了Ni表面丰富空位团的存在，并作为催化活性位显著增强了Ni纳米催化剂对CO₂甲烷化的低温催化活性（300 °C，CO₂转化率99%；CH₄选择性大于99%）。该工作已发表在Chem. Mater. 2013, 25, 1040。 

　　同步辐射扩展X射线吸收精细结构光谱（EXAFS）表征技术被用来揭示Ni原子的配位环境（图1），研究Ni空位团与催化活性之间的联系。表1为各样品EXAFS表征的拟合数据，可以看出Ni/H−Al₂O₃(400)具有最高的Ni−Ni配位不饱和度，与PAS表征结果一致，从而证明该催化材料的活性中心位于缺陷位处的低配位原子。因此，Ni/H−Al₂O₃(400)所具有的丰富表面空位团，显著增强了其对CO₂甲烷化低温催化活性。 

　　通过与北京同步辐射装置的合作，利用同步辐射实验技术就高分散Ni金属纳米催化剂的原子配位环境进行研究，揭示了材料的活性位结构（电子结构和缺陷结构）与其催化性能的关联，为高性能金属纳米催化剂的设计与制备提供了一定理论依据。 　　 

　　图1 Ni foil, Ni/Al₂O₃, Ni/H−Al₂O₃(500), Ni/H−Al₂O₃(400)的EXAFS光谱的傅里叶变换谱图。 

　　表1 Ni 箔片, Ni/Al₂O₃, Ni/H−Al₂O₃(500), Ni/H−Al₂O₃(400)的EXAFS拟合数据

　　发表文章： 

　　Shan He, Changming Li, Hao Chen, Dang Sheng Su, Bingsen Zhang, Xingzhong Cao, Baoyi Wang, Min Wei,* David G. Evans, Xue Duan, A surface-defect-promoted Ni nanocatalyst with simultaneously-enhanced activity and stability, Chem. Mater. 2013, 25, 1040.