综述：分级纳米组装氧载体用于化学链技术

这篇综述系统阐述了分级纳米组装氧载体（OCs）在化学链（CL）技术中的设计与应用，通过整合氧存储材料（OSM）、催化剂和惰性载体，构建了嵌入式与核壳结构，显著提升了CL在合成气制备、烷烃脱氢和CO2转化等反应中的活性和耐久性。文章重点探讨了空间限域效应、金属-载体相互作用（SMSI）及串联催化机制，为“碳中和”目标下的能源转化提供了新策略。

　　

分级纳米组装氧载体的化学链技术革新

引言

化学链（CL）技术通过固体氧载体（OCs）的晶格氧替代气相氧，实现燃料高效转化与CO₂捕集的协同，成为“碳中和”关键路径。然而，传统OCs面临高温烧结、离子扩散和活性衰减等挑战。分级纳米组装策略通过空间结构设计，将氧存储材料（OSM）、催化剂（如Pt、Ni）和惰性载体（Al₂O₃、分子筛）整合为嵌入式或核壳结构，显著提升了CL性能。

技术挑战与经济性

工业级CL要求OCs兼具高氧容量、可控反应性和结构稳定性。当前研究聚焦两类OCs：低成本矿石衍生物（如Fe₂O₃/Al₂O₃）和高性能纳米组装材料（如LaFeO₃@SBA-15）。后者通过原子层沉积（ALD）等技术实现组分精准调控，虽成本较高，但可降低反应温度（如Rh掺杂使甲烷氧化起始温度降低300°C），并避免有毒金属（如Ni、Co）的环境风险。

结构配置与性能优势

嵌入式结构：分子筛骨架（如ZSM-5）通过微孔限域抑制金属烧结，而Al₂O₃骨架通过碱金属（Na⁺）掺杂阻止FeAl₂O₄固溶体形成。例如，Fe₂O₃@SBA-15在甲烷部分氧化中实现95%合成气选择性。

核壳结构：熔盐壳层（如Na₂WO₄）促进晶格氧迁移，而TiO₂壳（厚度~8nm）通过ALD调控可平衡质量传递与抗烧结性。PdO-Pd-WO₃异质结更在光催化中将CH₄直接转化为乙酸（选择性91.6%）。

先进合成策略

• 前驱体法：层状双氢氧化物（LDH）衍生的Cu-Al-OCs展现优异循环稳定性；

• 原位生长：ZSM-5封装Ru团簇催化剂，通过“噬菌”效应固定活性位点；

• 空心结构：Fe₂O₃@H-ZSM-5双壳层设计使费托合成汽油产率提升10倍。

独特性能机制

• 空间邻近效应：FeVO₄与VO₂-Al₂O₃纳米级接触使丙烯选择性达81.3%；

• 限域与撕裂效应：SiO₂包裹的NiFe₂O₄在氧化还原中自发分散为小颗粒；

• 多系统协同：微波诱导Ce基OCs释放氧，耦合Ru/Al₂O₃催化CO₂加氢制CH₄。

未来展望

分级OCs在串联催化中潜力巨大，如CL-费托合成耦合直接转化生物质为烯烃，或CL水分解联产氢与CO₂制甲醇。机器学习辅助的高通量筛选将加速材料优化，而原位电镜与同步辐射技术有望揭示原子级动态机制，推动CL技术迈向工业化。