用于通过甲烷分解生产氢气的纳米级核壳催化剂：包覆在金属氧化物中的镍纳米颗粒

《Journal of the American Chemical Society》：Nanoscale Core–Shell Catalysts for H2 Production by Methane Decomposition: Supported Nickel Nanoparticles Ensheathed in Metal Oxides

催化甲烷分解制氢中，通过核壳结构设计将纳米镍粒子包裹于二氧化钛中，解决了低温C-H键活化难题，使催化剂在550°C下稳定运行6小时，氢产率达3.6 mol/gNi·h，同时抑制碳纳米管异常生长并提升镍利用率。

　　

催化甲烷分解为从这种丰富的资源中获取低成本、不含CO_x的H₂提供了一种潜在的可行途径。目前仍面临的挑战是如何在低温下实现高效的C–H键活化，同时保持催化剂的高活性和稳定性。我们在此报道了新型负载型Ni催化剂的设计与合成方法，这些催化剂由二氧化硅支撑的Ni纳米颗粒构成，其表面包裹着纳米级的TiO₂壳层，形成了核壳结构。在550°C条件下，该催化剂在流式反应器中以24000 mL g_cat^–1·h^–1的空间速度运行6小时后，仍能保持3.6 mol/g_Ni/h的H₂产率。相比之下，未经这种壳层保护的类似催化剂仅运行2.5小时就失去了活性，其原因在于Ni通过尖端生长机制与碳纳米管共生成，导致催化剂被破坏。这种包覆结构的催化剂的一个显著优势在于它促进了节省Ni的基底生长过程。红外光谱和拉曼光谱分析，结合其他催化剂表征数据以及密度泛函理论计算结果表明，TiO₂壳层几乎不会阻碍Ni表面C–H键的断裂和碳纳米管的形成，同时仍能发挥上述优点。我们认为这些研究结果为低温H₂生产及相关需要C–H键活化反应的催化剂合成提供了指导。