稀土-镍双金属纳米催化剂的可控制备及抗积炭性能调控研究

The reforming of carbon dioxide with methane to syngas is an important route for a large-scale reutilization of carbon dioxide, since it has significant environmental and economic benefits. How to improve the coke resistant property of nickel-based catalyst is a key scientif issue which is urgent to be resolved for this application. In this project, We intend to tune the coke resistant property based on the bimetal synergistic effect by inducing rare earth metals as the second metal component.We are going to synthesize a series of rare earth-nickel bimetal catalysts with defined compositions and structures, such as nano-alloys and heterostructures. The relationship between the composition, structure (including geometric structure, electronic structure and surface/interface structure) and coke resistant property of bimetal catalysts will be carefully investigated. The results will provide theoretical rules for the stucture-property relationship of nanocatalysts.In this project, quantum size effect, shape effect and surface/interface effect in nanoscience are introduced to catalysis science, providing plentiful means to manipulate catalytic property (such as coke resistant propertiy). Comparing with the fashion using rare earth metals as additives, the preparation of bimetal nanocatalysts with controlled structure provides the possiblity for the precise investigation of structure-property relationship.

二氧化碳与甲烷重整制合成气是实现二氧化碳大规模利用的重要途径之一，具有显著的环保效益和经济效益。如何提高非贵金属催化剂的抗积炭性能，一直是二氧化碳甲烷重整反应实现大规模应用迫切需要解决的关键科学问题之一。本项目拟将稀土元素引入催化剂，利用双金属的协同效应来调控催化剂的抗积炭性能。我们将合成一系列组成和结构可控的稀土-非贵金属（如镍基）纳米催化剂，研究双金属纳米催化剂几何结构、电子结构和表界面结构对抗积炭性能的影响，获得构效关系的规律性认识。本项目创新性地将纳米效应交叉融合到催化科学中，提供了丰富的调控催化剂抗积炭性能的要素，比如量子尺寸效应、形状效应及表界面效应。相对于目前普遍采用的将稀土元素随机掺杂到催化剂中作为助剂，运用纳米技术合成结构可控的双金属纳米催化剂，为系统研究构效关系提供了可能。

通过催化技术将二氧化碳转化成具有工业应用价值的化工或能源产品/原料，对缓解二氧化碳排放带来的环境压力具有重要的意义。二氧化碳与甲烷重整制合成气是实现二氧化碳大规模利用的重要途径之一，但是当前科学界和工业界广泛关注的非贵金属催化剂（以镍基催化剂为主）在高温反应中易积炭而导致催化剂失活。如何提高非贵金属催化剂的抗积炭性能，一直是该催化剂实现大规模应用迫切需要解决的关键科学问题之一。.本项目将稀土元素引入二元金属催化剂中，利用双金属的协同效应提升催化剂抗积炭性能；并研究催化剂几何结构、电子结构和表面结构对催化性能的影响。经过三年的研究，本项目在金属纳米催化材料的可控制备和结构调控、构效关系研究和长寿命纳米催化剂开发方面取得一些有意义的研究成果。（1）提出几种高效催化材料的设计思路，发展了可控合成金属纳米催化材料的方法（位点选择性刻蚀法、离子辅助欠电位沉积法、蒸氨法等），并实现对负载型催化剂结构的有效控制。（2）借助于双金属协同效应和载体效应等提升催化剂的稳定性，揭示了纳米催化剂的构效关系，为理性设计高稳定性催化剂提供了理论指导。（3）开发出2个高稳定性的稀土-镍负载型纳米催化剂（NiEr@Al2O3和NiLa@Al2O3），在800℃二氧化碳重整甲烷反应中，这两个催化剂的寿命均大于100h，表现出优异的抗积炭性能，有望进行工业化应用。.在本项目支持下，我们在Nano Res.（影响因子为8.893）、ACS Catal.（影响因子为9.307）、Chem. Commun.（影响因子为6.567）、Journal of Power Source（影响因子为6.333）、 Catal. Sci. Technol.（影响因子为5.287）等高影响力的期刊杂志上发表文章9篇（其中2篇被选为杂志封面文章,1篇为Highlight文章）。此外，我们还申请中国发明专利5项（其中1项获授权），致力于推动高效纳米催化剂的实用化进程。总之，本项目超额完成项目任务书规定的考核指标，取得较先进的研究成果，具有较高的学术价值和较好的应用前景。