负载Ni和Ru催化剂CO2甲烷化反应机理及载体效应研究

With the diminishing of fossil fuels and the emitting of a large quantity of CO2, CO2 methanation becomes an important reaction for environment, energy and economy because it consumes CO2 in a clean way and produces added-value chemicals at the same time. In addition, this reaction can also be applied in closed systems in submarine and spaceship etc. to transform CO2 into CH4 and H2O, among which CH4 is used as fuel and H2O is for life sustaining. Therefore, it is also of significance for national defense and spaceflight. To perform this reaction at low temperature, the design and development of active catalysts are crucial. This project is to study the critical issues influencing the performance of the catalysts for CO2 methanation. In detail, with DFT calculation method, the adsorption and activation of CO2 and H2 molecules on supported Ni and Ru catalysts will be investigated systematically, thus elucidating the optimal reaction mechanism. To clarify the synergetic interface effect between supported active metals and the supports, the contribution of both the supported metals and supports will be studied. Based on this, it is expected to provide guidance for design and preparation of high performance CO2 methanation catalysts.

随着化石资源的减少和CO2的大量排放，CO2甲烷化反应既“清洁”地消耗CO2，同时产生高附加值化学品甲烷，在环境、能源和经济效益等方面均具有重要意义。此外，该反应还可用于潜艇、宇宙飞船等封闭系统内CO2的去除及转化，产生的甲烷可用作燃料、水可维持生命，在国防和航天领域具有重要研究意义。而要实现低温CO2甲烷化，高活性催化剂是关键。本项目从影响CO2甲烷化催化剂性能的关键点入手，以活性组分和载体作为研究重点，采用密度泛函理论方法深入系统探究氧化物负载的Ni基、Ru基催化剂上CO2和H2的吸附、活化机制及CO2甲烷化最优反应路径和反应机理。结合实验方法，探究构效关系和载体效应，明确金属和氧化物载体在反应中所扮演的角色，阐明氧化物载体与金属活性组分之间的界面协同催化作用。在此基础上，期望能为设计、制备高性能CO2甲烷化催化剂提供指导。

CO2催化加氢生成甲烷是一种减少CO2排放、将其转化为高附加值低碳能源的有效方法，在环境保护、能源等领域均具有重要意义。本项目采用密度泛函理论计算和实验方法共同研究了负载Ni和Ru催化剂CO2甲烷化反应性能、机理及金属-载体相互作用，主要成果总结如下：. （1）研究了纯Ni，Ni/MgO，Ni/ZrO2，Ni/CeO2, Ru/CeO2催化剂甲烷化反应性能及机理，揭示了金属、载体及金属载体相互作用的角色。. （2）通过在Ni/CeO2载体中掺入Sn离子使反应由高选择性生成CH4变为生成CO，揭示反应界面对活性和选择性的影响。通过碱土金属离子掺杂载体，揭示了载体氧离子缺陷和碱中心对其反应性能的影响，并发现固溶体掺杂载体负载的Ni基催化剂反应活性能呈现晶格容量阈值效应。. （3）通过Cr离子掺杂改性Ru/CeO2载体显著提高了反应低温活性，揭示了表面氧缺陷和羟基在反应中的重要角色。. （4）以钇铈固溶体为载体负载Ni，在控制载体晶相不变的情况下揭示了金属-载体相互作用的强弱对活性金属几何结构调控及其对甲烷化反应性能的影响。研究了三维有序大孔Y2Zr2O7负载Ni用于CO2甲烷化反应，表明通过构筑三维有序大孔可以有效调节金属载体相互作用，从而提高反应活性。. 以上结果给出了典型氧化物负载Ni和Ru催化剂上甲烷化反应机理、催化活性位和金属-载体相互作用的角色，将促进高性能、低温甲烷化催化剂的合理设计。项目负责人发表基金标注SCI论文12篇，均为SCI二区及以上论文，其中2篇影响因子高于10.0，8篇影响因子高于5.0，1篇为Editor’s choice paper，培养研究生8人。本项目取得了良好的成果，实现了预期目标。.