大連化學物理研究所開發電-熱耦合催化新過程實現甲烷超干重整

　　【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室納米與界面催化研究中心(502組群)與計算和數據驅動催化研究組(511組)等合作，開發了電-熱耦合催化新過程，實現甲烷超干重整直接制備合成氣。
 

　　我國海域范圍內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，亟需發展富碳天然氣直接利用的新技術，支撐我國海洋油氣產業高質量發展。
 

　　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)反應溫度匹配，在本研究中，團隊基于SOEC，開發了電-熱耦合催化的甲烷超干重整新過程，將DRM、逆水氣變換(RWGS)、水電解反應串聯耦合到SOEC陰極，電化學原位還原中間產物水(H2O)生成氫氣(H2)和氧離子(O2-)，O2-在電勢差的驅動下通過致密電解質膜在SOEC陽極電化學氧化為氧氣(O2)，進而拉動RWGS反應正向進行，突破熱力學平衡限制，大幅提升了CO2轉化率和H2選擇性。團隊在CeO2-x載體表面，原位溶出穩定的銠(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-熱耦合催化實現了94.5%CH4轉化率與95.0%CO2轉化率，一氧化碳(CO)和H2產物的選擇性接近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原位譜學表征并結合理論計算，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CO2吸附活化，以及為RWGS反應提供活性位。此外，該界面電催化還原H2O生成的H2，可進一步促進CO2轉化。
 

　　相關研究成果以“Super-dry reforming of methane using a tandem electro-thermocatalytic system”為題，發表在《自然-化學》(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計劃、國家自然科學基金、遼寧濱海實驗室等項目的資助。