来源:X-MOL
在“双碳”背景下,非CO2温室气体减排同样至关重要。本研究创新性地在450 °C下将CH4和N2O协同转化为合成气(CO和H2),提出了一种高效的N2O-甲烷干重整路径(N2O-DRM)。通过构建Gd2O3负载Ir单原子催化剂,实现了高效转化(N2O转化率99.3%,CH4转化率48.2%),同时抑制了产物的过度氧化。机理研究表明,稀土氧化钆通过缓释氧物种促进CO的选择性生成,Ir单原子则有效促进CH4活化与H2形成。
全球变暖是21世纪最严峻的环境挑战之一。其中,氧化亚氮(N2O)是第三大温室气体,其温室效应是二氧化碳的273倍,且其大气寿命超过110年。更令人担忧的是,N2O还是目前已知最主要的臭氧层破坏物质。工业生产过程中(如己二酸和己内酰胺的合成)会集中排放高浓度的N2O(体积分数高达10−40%),亟需高效治理。与此同时,甲烷(CH4)作为第二大温室气体,其温室效应是CO2的28倍,在天然气和页岩气中广泛存在,具备重要的碳资源价值。在全球“碳中和”目标下,仅控制CO2已不足以应对挑战,N2O和CH4的协同转化(Covalorization)成为碳减排和资源化利用的潜力路径。
合成气(CO + H2)是重要的基础平台化学品,可通过费托合成进一步转化为燃料或高附加值化学品。传统CO2驱动的甲烷干重整(CO2-DRM)是制备合成气的重要方法,但往往需要超过650 °C的高温,存在能耗高、反应选择性差及催化剂烧结失活等问题。受此前该团队关于N2O与丙烷干重整研究的启发(ACS Catal. 2024, 14, 13520−13530),N2O-甲烷干重整(N2O-DRM)被提出,有望以更低温度实现合成气制备,并同步削减两种强温室气体。N2O-DRM催化剂的设计需同时满足:促进CH4、N2O活化,抑制过度氧化。氧亲和力的调控被认为是影响反应路径和产物选择性的关键。此前在Fe-ZSM-5和Cu-ZSM-5体系中,调控N2O分解所产生的“单原子氧”中间体已被用于开发选择性甲烷氧化过程。
本研究设计构筑了Gd2O3负载的Ir单原子催化剂(Ir1-Gd2O3),实现了在仅450 °C下的高效N2O-DRM反应。稀土氧化钆具有独特的缓释氧物种能力,能够实现可控的活性氧释放,减少副反应。而Ir单原子位点则有效活化CH4并作为H*储库以生成H2,从而实现高效的温室气体协同转化。本研究不仅首次在热催化研究中展示了Gd2O3单原子催化体系的优异性能,也为非CO2温室气体的资源化利用提供了全新策略。