Advanced Sus. Sys. 戴洪興&新南UNSW：無機非貴金屬材料低溫高效轉化CO2

【引言】

過渡金屬氧化物替代貴金屬負載型催化劑一直是熱點也同時是難點問題。作者此前的研究（Nature Communications, 2017, 8, 15553, doi:10.1038/ncomms15553），對高比表面積的鈣鈦礦型氧化物進行暴露晶面調控，得到具有高活性暴露晶面的鑭系鈣鈦礦催化劑，用于催化氧化甲烷燃燒。在此基礎上，作者對同鈣鈦礦具有類似結構的尖晶石進行改性，成功優化其氧化還原性能。

【成果簡介】

近日，北京工業大學戴洪興教授（Prof. Hongxing Dai）再度聯手澳洲新南威爾士大學Prof. Rose Amal, Dr. Hamid Arandiyan, Dr. Jason Scott在Advanced Sustainable Systems合作發表題為“Hierarchically Porous Network-like Ni/Co₃O₄: Noble Metal-Free Catalysts for Carbon Dioxide Methanation”的研究論文（第一作者，Yuan Wang），利用改進的PMMA膠晶模板法制備具有高比表面積，表面褶皺形貌的三維有序大孔3DDPCo₃O₄尖晶石材料，并利用濕浸漬負載還原法將Ni納米顆粒負載在鈷尖晶石的內、外表面。與常規制備的Co-Ni混合材料比較，文章合成的Ni/3DDPCo₃O₄ 催化劑對CO₂在低溫下具有相當高的催化活性。3DDPCo₃O₄ 不單一作為載體分散Ni顆粒，Co本身還作為催化活性位，Ni的載入大幅提高了3DDPCo₃O₄的反應活性，其反應速率提高了2.6倍，并且反應活化能降低了20%。通過對Ni-Co復合材料的一系列表征研究發現，在氫氣還原過程中，Ni和Co通過電子補償機制產生了相互作用，促進了表面氧空穴的生成，使得獲得的復合材料具有更好的低溫還原性能和催化還原氧化性能。在這其中，褶皺有序大孔Co₃O₄起到了均勻分散Ni顆粒的作用，大的內外比表面積增加了Ni-Co的充分接觸，因而獲得更好的相互作用效應。

【圖文導讀】

圖1：Ni/Co₃O₄活化CO₂示意圖

CO₂其中一個氧原子吸附在催化劑表面氧空穴位，被活化的CO₂分子在富氫氣環境下完成加氫反應生成CH₄。

圖2：Ni/Co₃O₄催化劑電鏡圖片

圖（a-c）不同倍數下表面褶皺的三維有序大孔3DDP-Co₃O₄ FIB切面形貌；

圖（d-f）Ni負載的3DDP-Co₃O₄；

圖（g-i）Ni摻雜的3DDP-NiCo₂O_4。

圖3：TEM和HAADF-STEM透射電鏡圖片以及XRD

圖（a-b）表面褶皺的三維有序大孔Ni/3DDP-Co₃O₄ TEM透射圖片；

圖（c-e）Ni/3DDP-Co₃O₄ HAADF-STEM-EDS Mapping元素圖片，紅色代表Co元素，綠色代表Ni元素；

圖（f-g）氫氣還原處理前后3DDP-NiCo₂O₄ XRD衍射峰譜圖。

圖4：公式（1-4）Co-Ni電子補償機制原理

圖5：催化性能圖

圖a：不同溫度下CO₂還原反應速率；

圖b：不同溫度下CH₄和CO的選擇性；

圖c：250度下長時間不間斷CO₂還原反應穩定性；

圖d：化學反應動力圖計算催化活化能（kJ/mol）。

文獻鏈接： Hierarchically Porous Network-like Ni/Co₃O₄: Noble Metal-Free Catalysts for Carbon Dioxide Methanation, Yuan Wang, Hamidreza Arandiyan, Jason Scott, Hongxing Dai, & Rose Amal, Advanced Sustainable Systems, 2018, DOI: 10.1002/adsu.201700119.

作者其他相關論文：

1.?Wang, Y., Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Nature Communications, 2017, 8, 15553, doi:10.1038/ncomms15553.

2.?Wang, Y., Arandiyan, H., Dai, HX.?et al.?Journal of Materials and Chemistry A,?5,?2017, 8825-8846.

3.?Arandiyan, H., Dai, HX. et al. ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 2016, 2457-2463.

4.?Wang, Y., Dai, HX. et al. ACS Catalysis, 7, 2016, 6935-6947.

5.?Arandiyan, H., Dai, HX. et al. ACS Catalysis, 5, 2015, 1781-1793.

6.?Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Journal of Physical Chemistry C, 118, 2014, 14913-14928.

7.?Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Journal of Catalysis, 307, 2013, 327-339.

8.?Wang, Y., Dai, HX. et al. Chemical Engineering Journal, 226, 2013, 87-94.

9.?Wang Y., Dai, HX. et al. Solid State Sciences 24, 2013, 62-70.

本文來自撰稿人Helena，特此感謝。

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