层状双金属氢氧化物的层间阴离子对衍生的Ni-Al2O3催化剂光热催化CO2甲烷化反应的影响

郭李娜 李睿哲 孙闯 罗小利 石义秋 原弘 欧阳述昕 张铁锐

引用本文: 郭李娜, 李睿哲, 孙闯, 罗小利, 石义秋, 原弘, 欧阳述昕, 张铁锐. 层状双金属氢氧化物的层间阴离子对衍生的Ni-Al2O3催化剂光热催化CO2甲烷化反应的影响[J]. 物理化学学报, 2025, 41(1): 100002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309002 shu
Citation:  Lina Guo, Ruizhe Li, Chuang Sun, Xiaoli Luo, Yiqiu Shi, Hong Yuan, Shuxin Ouyang, Tierui Zhang. Effect of Interlayer Anions in Layered Double Hydroxides on the Photothermocatalytic CO2 Methanation of Derived Ni-Al2O3 Catalysts[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(1): 100002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309002 shu

层状双金属氢氧化物的层间阴离子对衍生的Ni-Al2O3催化剂光热催化CO2甲烷化反应的影响

    通讯作者: 原弘, yuanhong@mail.ccnu.edu.cn; 欧阳述昕, oysx@mail.ccnu.edu.cn; 张铁锐, tierui@mail.ipc.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21972052

    国家自然科学基金 22272061

    辐射化学与功能材料湖北省重点实验室开放基金 2021KF01

摘要: 太阳能驱动的二氧化碳(CO2)甲烷化反应不仅有助于减少多余的碳排放,而且是生产燃料的重要途径。层状金属双氢氧化物(layered double hydroxides,LDH)可以在高温还原气(H2/Ar)氛围中还原,转化为金属负载于氧化物(MO)的催化剂。这些催化剂在CO2加氢反应中作为优秀的光热催化剂被广泛应用。然而,有关LDH的层间阴离子类型如何影响CO2甲烷化活性的研究还相对有限。本文研究了包含不同层间阴离子的镍(Ni)铝(Al) LDH前驱体,通过在H2/Ar气氛中还原处理,制备了一系列Ni负载在氧化铝(Al2O3)上的MO催化剂,这些催化剂被命名为NiAl-x-MO (其中x代表CO3、NO3、Cl和SO4,分别代表碳酸根、硝酸根、氯离子和硫酸根等阴离子)。其中,NiAl-CO3-MO催化剂表现出50.1%的CO2转化率,99.9%的甲烷(CH4)选择性以及94.4 mmol∙g−1∙h−1的CH4产出速率。与之相比,NiAl-Cl-MO和NiAl-SO4-MO催化剂的CO2甲烷化活性极低。H2程序升温脱附(temperature programmed desorption with H2,H2-TPD)实验和密度泛函理论计算(density functional theory,DFT)结果表明,低CO2转化率是由于残留的氯(Cl)或硫(S)与金属Ni形成的强配位键阻碍了H2的吸附和活化。因此,在设计LDH衍生的催化剂,特别是用于氢化反应的Ni基催化剂时,应优先考虑层间阴离子在LDH中的重要作用。

English

    1. [1]

      Gruber, N.; Clement, D.; Carter, B. R.; Feely, R. A.; Heuven, S. V.; Hoppema, M.; Ishii, M.; Key, R. M.; Kozyr, A.; Lauvset, S. K.; et al. Science 2019, 363 (6432), 1193. doi: 10.1126/science.aau5153

    2. [2]

      Rogelj, J.; Elzen, M. D.; Hohne, N.; Fransen, T.; Fekete, H.; Winkler, H.; Schaeffer, R.; Sha, F.; Riahi, K.; Meinshausen, M. Nature 2016, 534, 631. doi: 10.1038/nature18307

    3. [3]

      Fan, F. R.; Wang, R.; Zhang, H.; Wu, W. Z. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 10983. doi: 10.1039/c9cs00821g

    4. [4]

      高云楠, 刘世桢, 赵振清, 陶亨聪, 孙振宇. 物理化学学报, 2018, 34, 858. doi: 10.3866/PKU.WHXB201802061Gao, Y. N.; Liu, S. Z.; Zhao, Z. Q.; Tao, H. C.; Sun, Z. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 858. doi: 10.3866/PKU.WHXB201802061

    5. [5]

      张继宏, 钟地长, 鲁统部. 物理化学学报, 2021, 37, 2008068. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008068Zhang, J. H.; Zhong, D. C.; Lu, T. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008068. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008068

    6. [6]

      Cai, M. J.; Li, C. R.; He, L. Rare Metals 2020, 39, 881. doi: 10.1007/s12598-020-01431-3

    7. [7]

      Rao, H.; Schmidt, L. C.; Bonin, J.; Robert, M. Nature 2017, 548, 74. doi: 10.1038/nature23016

    8. [8]

      Pham, C. Q.; Bahari, M. B.; Kumar, P. S.; Ahmed, S. F.; Xiao, L. L.; Kumar, S.; Qazaq, A. S.; Siang, T. J.; Tran, H. T.; Islam, A.; et al. Environ. Chem. Lett. 2022, 20, 3613. doi: 10.1007/s10311-022-01483-0

    9. [9]

      Fan, M. M.; Jimenez, J. D.; Shirodkar, S. N.; Wu, J. J.; Chen, S. M.; Song, L.; Royko, M. M.; Zhang, J. J.; Guo, H.; Cui, J. W.; et al. ACS Catal. 2019, 9, 10077. doi: 10.1021/acscatal.9b02197

    10. [10]

      Lv, C. C.; Bai, X. H.; Ning, S. B.; Song, C. X.; Guan, Q. Q.; Liu, B.; Li, Y. G.; Ye, J. H. ACS Nano 2023, 17, 1725. doi: 10.1021/acsnano.2c09025

    11. [11]

      Li, Y.; Li, R. Z.; Li, Z. H.; Xu, Y. Q.; Yuan, H.; Ouyang, S. X.; Zhang, T. R. Sol. RRL 2022, 6, 2200493. doi: 10.1002/solr.202200493

    12. [12]

      Zhu, Z. J.; Tang, R.; Li, C. R.; An, X. D.; He, L. Adv. Sci. 2023, 10, 2302568. doi: 10.1002/advs.202302568

    13. [13]

      Shen, J. H.; Tang, R.; Wu, Z. Y.; Wang, X.; Chu, M. Y.; Cai, M. J.; Zhang, C. C.; Zhang, L.; Yin, K.; He, L.; et al. Trans. Tianjin Univ. 2022, 28, 236. doi: 10.1007/s12209-022-00333-y

    14. [14]

      Ren, J.; Ouyang, S. X.; Xu, H.; Meng, X. G.; Wang, T.; Wang, D. F.; Ye, J. H. Adv. Energy Mater. 2016, 7, 1601657. doi: 10.1002/aenm.201601657

    15. [15]

      Arandiyan, H.; Kani, K.; Wang, Y.; Jiang, B.; Kim, J.; Yoshino, M.; Rezaei, M.; Rowan, A. E.; Dai, H. X.; Yamauchi, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46398. doi: 10.1021/acsami.9b18665

    16. [16]

      Wang, X.; Shi, H.; Kwak, J. H.; Szanyi, J. ACS Catal. 2015, 5, 6337. doi: 10.1021/acscatal.5b01464

    17. [17]

      Zhu, M. H.; Tian, P. F.; Cao, X. Y.; Chen, J. C.; Pu, T. C.; Shi, B. F.; Xu, J.; Moon, J.; Wu, Z. L.; Han, Y. F. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 282, 119561. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119561

    18. [18]

      Cai, M. J.; Wu, Z. Y.; Li, Z.; Wang, L.; Sun, W.; Tountas, A. A.; Li, C. R.; Wang, S. H.; Feng, K.; Xu, A. B.; et al. Nat. Energy 2021, 6, 807. doi: 10.1038/s41560-021-00867-w

    19. [19]

      Ning, S. B.; Xu, H.; Qi, Y. H.; Song, L. Z.; Zhang, Q. Q.; Ouyang, S. X.; Ye, J. H. ACS Catal. 2020, 10, 4726. doi: 10.1021/acscatal.9b04963

    20. [20]

      Hao, Z. W.; Shen, J. D.; Lin, S. X.; Han, X. Y.; Chang, X.; Liu, J.; Li, M. S.; Ma, X. B. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 286, 119922. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.119922

    21. [21]

      Chen, G. B.; Gao, R.; Zhao, Y. F.; Li, Z. H.; Waterhouse, G. I. N.; Shi, R.; Zhao, J. B.; Zhang, M. T.; Shang, L.; Sheng, G. Y.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1704663. doi: 10.1002/adma.201704663

    22. [22]

      Li, Z. H.; Shi, R.; Zhao, J. Q.; Zhang, T. R. Nano Res. 2021, 14, 4828. doi: 10.1007/s12274-021-3436-6

    23. [23]

      Lai, T. Y.; Wang, J. K.; Sun, X. L.; Zhao, Y. F.; Song, Y. F. Chem.-Asian J. 2021, 16, 3993. doi: 10.1002/asia.202101084

    24. [24]

      Guo, Y. D.; Gong, Z. H.; Li, C. X.; Gao, B.; Li, P.; Wang, X. G.; Zhang, B. C.; Li, X. M. Chem. Eng. J. 2020, 392, 123682. doi: 10.1016/j.cej.2019.123682

    25. [25]

      Sun, Z. M.; Lin, L.; He, J. L.; Ding, D. J.; Wang, T. Y.; Li, J.; Li, M. X.; Liu, Y. C.; Li, Y. Y.; Yuan, M. W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8204. doi: 10.1021/jacs.2c01153

    26. [26]

      Chen, H. J.; Chen, Z.; Zhao, G. X.; Zhang, Z. B.; Xu, C.; Liu, Y. H.; Chen, J.; Zhuang, L.; Haya, T.; Wang, X. K. J. Hazard. Mater. 2018, 347, 67. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.12.062

    27. [27]

      Karami, Z.; Jouyandeh, M.; Ali, J. A.; Ganjali, M. R.; Aghazadeh, M.; Paran, S. M. R.; Naderi, G.; Puglia, D.; Saeb, M. R. Prog. Org. Coat. 2019, 136, 105218. doi: 10.1016/j.porgcoat.2019.105218

    28. [28]

      Motlagh, P. Y.; Khataee, A.; Rad, T. S.; Hassani, A.; Joo, S. W. J. Taiwan Inst. Chem. E 2019, 101, 186. doi: 10.1016/j.jtice.2019.04.051

    29. [29]

      Wang, Y.; Yao, L.; Wang, Y. N.; Wang, S. H.; Zhao, Q.; Mao, D. H.; Hu, C. W. ACS Catal. 2018, 8, 6495. doi: 10.1021/acscatal.8b00584

    30. [30]

      Konkena, B.; Masa, J.; Botz, A. J. R.; Sinev, I.; Xia, W.; Kossmann, J.; Drautz, R.; Muhler, M.; Schuhmann, W. ACS Catal. 2017, 7, 229. doi: 10.1021/acscatal.6b02203

    31. [31]

      Marshall-Roth, T.; Libretto, N. J.; Wrobel, A. T.; Anderton, K. J.; Pegis, M. L.; Ricke, N. D.; Voorhis, T. V.; Miller, J. T.; Surendranath, Y. Nat. Commun. 2020, 11, 5283. doi: 10.1038/s41467-020-18969-6

    32. [32]

      Markina, D. I.; Anoshkin, S. S.; Masharin, M. A.; Khubezhov, S. A.; Tzibizov, I.; Dolgintsev, D.; Terterov, I. N.; Makarov, S. V.; Pushkarev, A. P. ACS Nano 2023, 17, 1570. doi: 10.1021/acsnano.2c11013

    33. [33]

      Giannazzo, F.; Fisichella, G.; Greco, G.; Franco, S. D.; Deretzis, I.; Magna, A. L.; Bongiorno, C.; Nicotra, G.; Spinella, C.; Scopelliti, M.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23164. doi: 10.1021/acsami.7b04919

    34. [34]

      Li, B.; Jiang, L.; Li, X.; Ran, P.; Zuo, P.; Wang, A. D.; Qu, L. T.; Zhao, Y.; Cheng, Z. H.; Lu, Y. F. Sci. Rep. 2017, 7, 11182. doi: 10.1038/s41598-017-10632-3

    35. [35]

      Feng, X. T.; Jiao, Q. Z.; Chen, W. X.; Dang, Y. L.; Dai, Z.; Suib, S. L.; Zhang, J. T.; Zhao, Y.; Li, H. S.; Feng, C. H. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 286, 119869. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119869

    36. [36]

      Hao, P.; Zhao, Z. H.; Leng, Y. H.; Tian, J.; Sang, Y. H.; Boughton, R. I.; Wong, C. P.; Liu, H.; Yang, B. Nano Energy 2015, 15, 9. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.02.035

    37. [37]

      Liu, N.; Huang, W. Y.; Tang, M. Q.; Yin, C. C.; Gao, B.; Li, Z. M.; Tang, L.; Lei, J. Q.; Cui, L. F.; Zhang, X. D. Chem. Eng. J. 2019, 359, 254. doi: 10.1016/j.cej.2018.11.143

    38. [38]

      Pu, Y.; Luo, Y. D.; Wei, X. Q.; Sun, J. F.; Li, L. L.; Zou, W. X.; Dong, L. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 254, 580. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.04.093

    39. [39]

      Italiano, C.; Llorca, J.; Pino, L.; Ferraro, M.; Antonucci, V.; Vita, A. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 264, 122620. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118494

    40. [40]

      Paviotti, M. A.; Faroldi, B. M.; Cornaglia, L. M. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 105173. doi: 10.1016/j.jece.2021.105173

    41. [41]

      Dias, Y. R.; Perez-Lopez, O. W. J. CO2 Util. 2023, 68, 102381. doi: 10.1016/j.jcou.2022.102381

    42. [42]

      Mihet, M.; Dan, M.; Barbu-Tudoran, L.; Lazar, M. D. Catalysts 2021, 11, 443. doi: 10.3390/catal11040443

    43. [43]

      Gonzalez-Castano, M.; Gonzalez-Arias, J.; Bobadilla, L. F.; Ruiz-Lopez, E.; Odriozola, J. A.; Arellano-Garcia, H. Fuel 2023, 338, 127241. doi: 10.1016/j.fuel.2022.127241

    44. [44]

      Huynh, H. L.; Zhu, J.; Zhang, G. H.; Shen, Y. L.; Tucho, W. M.; Ding, Y.; Yu, Z. X. J. Catal. 2020, 392, 266. doi: 10.1016/j.jcat.2020.10.018

    45. [45]

      Falbo, L.; Visconti, C. G.; Lietti, L.; Szanyi, J. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 256, 117791. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117791

    46. [46]

      Li, X. D.; Sun, Y. F.; Xu, J. Q.; Shao, Y. J.; Wu, J.; Xu, X. L.; Pan, Y.; Ju, H. X.; Zhu, J. F.; Xie, Y. Nat. Energy 2019, 4, 690. doi: 10.1038/s41560-019-0431-1

    47. [47]

      Hongmanorom, P.; Ashok, J.; Chirawatkul, P.; Kawi, S. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 297, 120454. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120454

    48. [48]

      Wang, M. R.; Zhang, G. H.; Zhu, J.; Li, W. H.; Wang, J. Y.; Bian, K.; Liu, Y.; Ding, F. S.; Song, C. S.; Guo, X. W. Chem. Eng. J. 2022, 446, 137217. doi: 10.1016/j.cej.2022.137217

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  322
  • HTML全文浏览量:  80
文章相关
  • 发布日期:  2025-01-15
  • 收稿日期:  2023-09-01
  • 接受日期:  2023-10-19
  • 修回日期:  2023-10-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章