新型CH4-CO2重整氮掺杂碳材料催化剂的调控制备及催化机理

Previous studies of Natural Science Foundation of China have found that oxygen functional groups, after introduction of nitrogen atoms in the CH4/CO2 reforming carbonaceous catalysts, catalytic performance of the obtained N-doped carbonaceous catalysts has greatly improved. There is no doubt that the finding is very important to improve the reforming catalytic performance of non-metallic carbonaceous materials. Based on the characteristics of N-doped carbonaceous catalysts, the research on the controlled generation and properties of N-doped carbonaceous catalyst for reforming was carried out. Take the N-doped aza species as a research object, based on N-doped species oriented carbonaceous catalyst preparation, this project will investigate controlled generation and regulation of N-doped species of carbonaceous catalyst. In order to find the N-doped species transition states and intermediates in reforming process, explore the activation mode of N-doped species formed by nitrogen doping for CH4 and CO2 and the change rule of free radicals, the reaction path and the microscopic changes of N-doped species is optimize by the experiment research and thermodynamics analysis. The different reaction pathways of N-doped species during CH4-CO2 reforming were established according to the dynamic changes of the catalytic active sites theory. The formula of different N-doped species of carbonaceous catalyst with the catalytic performance will be developed in the final. Through the research, the process of CH4/CO2 reforming was deepened the understanding over carbonaceous catalyst, and greatly enriched the development of metal-free carbon-based catalysts. A new technology method and theory mechanism will be provided to support the synthesis of large-scale high-quality nitrogen doped carbon material reforming catalyst.

在前期青年-面上连续基金研究中发现，在CH4/CO2重整碳材料催化剂中引入氮原子之后，所得到的氮杂碳材料催化性能大幅度提高。这个发现无疑对非金属碳材料重整催化性能的提升具有重要意义。本项目针对氮掺杂碳材料的这一特性，开展重整碳材料催化剂的氮掺杂调控制备及性能研究。以氮掺杂的氮杂物种为研究对象，以结构性能可控的氮掺杂碳材料制备为基础，考察掺杂氮物种的控制生成及调控规律。然后根据催化活性中心的动态变化理论，结合反应过程中掺杂氮物种的微观化学结构变化分析，探索碳材料氮掺杂形成的活性物种对甲烷二氧化碳活化的作用机制和自由基变化规律，建立不同掺杂的氮物种对CH4-CO2重整的反应途径；阐明氮掺杂形成的不同氮物种与重整催化性能的关系。该探索不仅可以加深对碳材料催化CH4-CO2重整的认识，而且可以极大的丰富碳基非金属催化学科的发展，为廉价高效非金属重整碳材料催化剂的可控制备提供新的技术途径和理论支撑。

实现碳达峰、碳中和，是党和国家的重大战略决策，事关中华民族永续发展，是我国在新发展阶段推动高质量发展的必由之路。同时对保护地球生态、推进全球应对气候变化行动也具有重要的意义。CH4 和CO2重整转化是实现“碳中和”和减少温室气体排放的有效途径之一。而高效重整催化剂的开发是其实现工业化的关键核心。针对项目申请书中的研究目标，本项目利用导向性氮源对碳材料结构进行了设计和性能提升，构建了高活性和高稳定性的氮掺杂碳材料重整催化剂的可控制备方法体系，即实现了碳材料中高活性氮杂物质的控制生成及精准调控；阐明了氮掺杂形成的氮物种与氮掺杂碳材料催化剂结构及性能之间的构效关系和调控规律；揭示了氮掺杂形成的含氮物种对CH4 和CO2 分子活化机制和作用原理，进而揭示了氮掺杂碳材料催化CH4-CO2重整制合成气的活化反应机理；最后，通过系统考察反应因素对新型氮掺杂碳材料催化剂催化重整效率的影响规律，获得了CO2-CH4重整制合成气的最佳工艺条件和稳定性影响因素。上述关于高效重整催化剂的制备和改性等关键问题的探讨和研究，为廉价高效非金属重整碳材料催化剂的可控制备提供了新的技术途径和理论支撑。依托基金及研究结果，发表相关研究成果学术论文36篇，其中SCI/EI期刊28篇、中文核心期刊3篇；申请及授权相关专利13项；培养博士/硕士研究生16名，其中6人次获得国家奖学金，参加国际学术会议9次，在国内外相关会议上做学术报告6次，培养高级人才1名，获得“三晋英才”、“山西省优秀科技工作称号”以及 “全国石油和化工行业优秀科技工作者”各1名。同时在项目执行期间，积极开展国际合作与交流，柔性引进山西省百人1名。