近日，大連化物所開發(fā)了電-熱耦合催化新過(guò)程，實(shí)現(xiàn)甲烷超干重整直接制備合成氣。
我國(guó)海域范圍內(nèi)擁有豐富的油氣資源，然而海域氣田開采的天然氣中二氧化碳（CO2）含量普遍較高（20%至80%，通常被稱為“富碳天然氣”），必須進(jìn)行CO2脫除處理才能進(jìn)一步輸送和使用。然而，CO2分離過(guò)程增加了能源消耗，同時(shí)引起天然氣的夾帶損失，增加了富碳天然氣資源開采和使用成本。因此，亟需發(fā)展富碳天然氣直接利用的新技術(shù)，支撐我國(guó)海洋油氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
考慮到固體氧化物電解器（SOEC）運(yùn)行溫度（600 oC至850 oC）與甲烷干重整（DRM）反應(yīng)溫度匹配，在本研究中，團(tuán)隊(duì)基于SOEC，開發(fā)了電-熱耦合催化的甲烷超干重整新過(guò)程，將DRM、逆水氣變換（RWGS）、水電解反應(yīng)串聯(lián)耦合到SOEC陰極，電化學(xué)原位還原中間產(chǎn)物水（H2O）生成氫氣（H2）和氧離子（O2-），O2-在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)致密電解質(zhì)膜在SOEC陽(yáng)極電化學(xué)氧化為氧氣（O2），進(jìn)而拉動(dòng)RWGS反應(yīng)正向進(jìn)行，突破熱力學(xué)平衡限制，大幅提升了CO2轉(zhuǎn)化率和H2選擇性。團(tuán)隊(duì)在CeO2-x載體表面，原位溶出穩(wěn)定的銠（Rh）納米顆粒，提供了高密度Ce3+-VO-Rhδ+界面活性位點(diǎn)，當(dāng)CO2和甲烷（CH4）體積比為4時(shí)，電-熱耦合催化實(shí)現(xiàn)了94.5%CH4轉(zhuǎn)化率與95.0%CO2轉(zhuǎn)化率，一氧化碳（CO）和H2產(chǎn)物的選擇性接近100%，CH4的表觀還原能力接近4.0，達(dá)到理論值。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用高溫氣氛電子顯微鏡和高溫電化學(xué)原位譜學(xué)表征并結(jié)合理論計(jì)算，揭示了Rhδ+為甲烷裂解的活性位，富含氧空位的Ce3+-VO-Rhδ+界面可實(shí)現(xiàn)CO2吸附活化，以及為RWGS反應(yīng)提供活性位。此外，該界面電催化還原H2O生成的H2，可進(jìn)一步促進(jìn)CO2轉(zhuǎn)化。
相關(guān)研究成果以“Super-dry reforming of methane using a tandem electro-thermocatalytic system”為題，發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。該工作的共同第一作者是大連化物所呂厚甫博士、李榮坦博士和董雪博士。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
