Robust and Coke-free Ni Catalyst Stabilized by 1–2 nm-Thick Multielement Oxide for Methane Dry Reforming

催化作用 焦炭 二氧化碳重整 甲烷 氧化物 烧结 化学工程 材料科学 化学计量学 合成气 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Lei He,Mingrun Li,Wen‐Cui Li,Wei Xu,Yang Wang,Yan‐Bo Wang,Wenjie Shen,An‐Hui Lu
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:11 (20): 12409-12416 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c02995
摘要

Methane dry reforming, co-converting greenhouse gases CH4 and CO2 into chemically active syngas (H2/CO), affords a promising route for producing chemicals and fuels from carbon resources. Ni catalysts are the most active for this reaction but suffer from the dilemma of rapid deactivation caused by metal sintering at higher temperatures (>973 K) or coke accumulation at relatively lower temperatures (673–973 K). Here, we report a catalyst configuration—Ni particles (15 nm) confined by a 1–2 nm-thick multielement-oxide (MEO) layer—allows a stable operation at 873–1073 K with a stoichiometric CH4/CO2 ratio of 1.0, that is, the severe conditions for catalyst deactivation but of industrial interest for process efficiency and atomic economy. The in situ-evolved MEO layer resembles the property of high-entropy oxide, which stabilizes the Ni particles with appropriate size and high-index facets, even at 1173 K. Meanwhile, in situ TEM under near atmospheric pressure combining intelligent gravity analysis (IGA)-mass spectrometry (MS) characterizations prove that this unique structure balanced the activation of CH4 and CO2. Thus, the lifetime of the catalyst has been efficiently prolonged with nearly coke-free operations, even at 873 K, the most severe coking temperature. This high-entropy design and stabilization effect offers a facile strategy to precisely fabricate active and robust metal catalysts with wide operation temperatures for many challenging reactions.
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