设计一种基于吡啶氮-镍单原子催化剂的低温高效二氧化碳甲烷化反应体系

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Engineering a Pyridinic N–Ni Single-Atom Catalyst for Efficient Low-Temperature CO2 Methanation

CO?在低温下高效甲烷化催化的突破性进展：通过原子级精准配位的三吡啶氮配体锚定Ni单原子，实现78.9% CO?转化率和100% CH?选择性（250℃）。该催化剂在320,000 mL gcat-1 h-1时空速率下达到1972 mmol CH? gcat-1 h-1，超越现有文献基准。原位表征揭示其独特的"形式驱动"反应机制，通过完全绕过CO中间体降低活化能，为CO?资源化催化剂设计提供新范式。

　　

低温甲烷化技术能够将二氧化碳（CO₂）近乎平衡地转化为甲烷（CH₄），从而显著提高能源利用效率并带来经济效益。然而，设计出能够在低温下活化二氧化碳且不依赖贵金属的催化剂仍是二氧化碳转化领域的一个核心挑战。在这项研究中，我们提出了一种吡啶氮-Ni单原子结构（Ni–N₃），其中镍原子以原子级分散的形式被三个吡啶氮原子固定。这种精确的氮原子配位环境使得在250°C时实现了100%的甲烷选择性以及78.9%的二氧化碳转化率。在400°C时，当气体时空速达到320,000 mL g_cat.^–1 h^–1时，甲烷的产率达到创纪录的1972 mmol_CH4 g_cat.^–1?h^–1，超过了现有文献中的最佳水平。根据机理分析，Ni–N₃促进了甲酸驱动的反应路径，通过完全绕过二氧化碳的中间产物来提高甲烷选择性，并通过降低活化能来增强二氧化碳的转化效率。这些发现为催化剂的设计提供了一种新的策略，即通过调控局部的配位几何结构来控制二氧化碳氢化的基本反应机理。