等离子体催化甲烷干重整中金属氧化物界面调控实现高效醇类合成

研究人员针对传统等离子体催化甲烷干重整(DRM)过程中液态醇类选择性低的难题，通过设计钴负载γ-Al2O3催化剂(CoOx/Al2O3)，结合原位等离子体耦合FTIR和DFT计算，揭示氧化物界面相互作用机制，实现醇类选择性37.2%的突破，为温室气体资源化利用提供新策略。

　　

在全球碳中和背景下，甲烷与二氧化碳的转化利用成为研究热点。传统热催化甲烷干重整(DRM)虽能生产合成气，但面临700℃以上高温操作导致的催化剂积碳失活、能耗高等瓶颈。更棘手的是，现有技术对高附加值液态醇类的选择性普遍不足24%，严重制约其经济可行性。等离子体催化技术凭借低温高效、可耦合可再生能源等优势，为DRM提供了新思路，但如何突破醇类合成的选择性壁垒仍是悬而未决的难题。

中国科学院的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地构建了钴负载γ-Al₂O₃(CoO_x/Al₂O₃)催化剂体系。通过湿法浸渍制备不同钴负载量(1-10%)的催化剂，结合500℃煅烧优化，采用SEM/TEM表征形貌，XPS分析钴价态，并创新性运用原位等离子体耦合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和密度泛函理论(DFT)计算，揭示了氧化物界面作用机制。

催化剂特性
TEM显示CoO_x/Al₂O₃存在明显的金属-载体界面区，XPS证实Co²⁺/Co³⁺混合价态。与物理混合的CoO_x-Al₂O₃相比，化学键合的催化剂在等离子体中表现出更强的CO和CH_xO物种吸附能力，这为后续醇类合成提供了关键前体。

性能优化
系统考察发现5%钴负载量、500℃煅烧的催化剂性能最优，醇类总选择性达37.18%，其中甲醇(20.83%)、乙醇(12.98%)和丙醇(3.37%)占氧合物的90.66%。对比实验表明，化学混合催化剂的醇类产率是物理混合样的2.1倍，证实界面相互作用的关键作用。

机制解析
原位FTIR捕捉到催化剂表面CO₂→CO→CH_xO→R-OH的转化路径。DFT计算显示CoO_x/Al₂O₃界面能显著降低CH₃OH合成能垒(0.78 eV vs 1.24 eV)，而物理混合样品因缺乏电子协同作用，更易产生副产物。

该研究首次阐明金属氧化物界面在等离子体催化DRM中对醇类合成的调控机制，创下37.2%的醇类选择性纪录。通过多尺度表征与理论计算的深度融合，证实Co²⁺/Co³⁺混合价态与γ-Al₂O₃的强相互作用是提升性能的关键，为开发"碳中性"化学合成工艺提供了新范式。研究提出的"等离子体-界面催化"协同策略，不仅适用于甲烷转化，还可拓展至其他C1分子高值化利用领域，具有重要的科学价值和工业应用前景。