使用XAS和拉曼光谱技术对富含缺陷的CTAB衍生的Ni/CeO2催化剂进行CO2甲烷化反应的研究

《Journal of Energy Chemistry》：Operando XAS and Raman investigation of defect-rich CTAB-derived Ni/CeO2 catalysts for CO2 methanation

　　

卢卡斯·S·里奇（Lucas S. Ricci）|保罗·N·里斯博亚-菲略（Paulo N. Lisboa-Filho）|瓦莱丽·布里奥瓦（Valérie Briois）|路易斯·G·波萨托（Luiz G. Possato）

摘要

温室效应的加剧主要是由于大气中二氧化碳（CO₂）浓度的增加所致。通过将大气二氧化碳捕获技术与“电力制气”（power-to-gas）技术相结合，利用清洁能源生产氢气，进而利用氢气生产高附加值的碳氢化合物（如甲烷），可以缓解这一现象，从而减少二氧化碳排放。Ni/CeO₂催化剂在热催化氢化反应中表现出优异的性能，能够将二氧化碳转化为甲烷（CH₄）。在大规模生产中，这类催化剂可通过共沉淀法制备，并通过使用表面活性剂溴化十六烷基三甲基铵（CTAB）作为促进剂来控制颗粒的形态，从而进一步提高其性能。在本研究中，我们探讨了共沉淀合成过程如何促进金属与载体的相互作用，以及CTAB的添加如何帮助控制颗粒大小，使其既不会过大也不会过小。通过使用多变量曲线拟合-交替最小二乘法（MCR-ALS）工具对催化剂进行原位X射线吸收光谱（operando XAS）分析，发现Ni²⁺成功被还原为Ni⁰；这一过程通过EXAFS对Ni的K边谱线的分析得到了证实，Ni-Ni配位数为8.2。同时，该催化剂保持了适合甲烷化反应的颗粒大小分布，增加了金属表面积，并由于晶格结构的重组减少了外部氧空位的存在。尽管如此，这些变化并未对催化剂的活性产生负面影响，反而使其催化活性显著提升，在300°C条件下实现了95%的二氧化碳转化率和100%的甲烷选择性。此外，还利用原位XAS和拉曼光谱技术研究了CeO₂载体的某些细微变化，这些研究有助于更深入地了解该载体在反应条件下的行为。