有序介孔稀土基固溶体催化材料的可控合成及其催化甲烷二氧化碳重整反应的研究

The carbon dioxide reforming of methane (CRM) has significant roles in alleviating the energy crisis, reducing the emission of the greenhouse gases, improving the living environment of the human, and so on，which is a critical important topic in C1 chemistry. The carbon deposition over the surface of the catalysts and the thermal sintering of the active components have been hindering of the industrialization of the CRM process. As we know, the development of the new catalytic materials has always been the driving force of the catalytic chemistry. This project plans to apply the catalysts supporting on ordered mesoporous rare earth based solid solutions in catalyzing CRM reaction, explore the preparation science and micro-catalytic mechanism of the ordered mesoporous rare earth based solid solution, cognize the construction of inner-outer surface active centers over ordered mesoporous rare earth based solid solution and the selective conversion routes of the stable small molecules: CH4 and CO2, inaugurate the in situ dynamic characterization techniques between material structures and catalytic reaction over the mesoporous catalysts, establish the relationships between material structures and catalytic performances, form a new catalytic system for CRM reaction and finally provide academic guidance and technical support for developing the widely used new catalytic materials in the field of the catalytic chemistry.

甲烷的二氧化碳重整对缓解能源危机、减少温室气体排放以及改善人类的生存环境具有重要的意义, 是碳一化学中一项重要的课题，甲烷二氧化碳重整反应中积炭的产生和活性组分的烧结一直困扰着其工业化应用进程。新型催化材料的创制是推动催化化学发展的关键。本项目拟将稀土基固溶体介孔复合氧化物一体化催化材料用于甲烷二氧化碳重整反应，探索有序介孔稀土基固溶体一体化复合氧化物的制备科学与微观催化机制，建立其构效关系，认知有序介孔稀土基固溶体复合氧化物一体化催化材料的内外表面活化中心的构筑及甲烷、二氧化碳选择性转化的反应路径，从而形成甲烷二氧化碳重整的新催化体系，为开发一类在催化化学领域具有广泛应用的新型催化材料提供理论指导与技术支撑。

甲烷和二氧化碳是自然界中存在两种最廉价的C1 化合物，同时它们又都是引起全球气候变暖的两种最主要的温室气体。甲烷二氧化碳重整催化过程可以将上述两种温室气体转化为高附加值的合成气。但是该催化过程一直没有得到广泛工业化的主要原因就是表面积碳和金属活性中心热烧结而造成的催化剂快速失活。本项目以稀土固溶体催化材料的可控合成入手，设计并通过溶剂挥发自组装的策略成功制备了一系列有序介孔稀土基固溶体（复合）金属氧化物材料直接作为催化剂或者作为Ni基催化剂的载体用于该催化过程。探索有序介孔稀土基固溶体一体化复合氧化物的制备科学与微观催化机制，通过系列表征手段构筑了有序介孔稀土基固溶体复合氧化物一体化催化材料的内外表面活化中心。这些介孔催化剂具有大表面、大孔容以及均一的孔道结构等结构特性，可以为气态反应物提供更多“可以接触到的”Ni 活性位，从而表现出高的催化活性。由于“一锅法”合成方法的独特优点，Ni 活性中心均匀地镶嵌于整个介孔骨架之中。由于介孔骨架的“限域效应”的存在，使得该系列介孔催化剂在还原和反应过程中所造成的金属Ni 活性中心的严重热烧结在一定程度上得到抑制，Si引入提高了CeZr表面氧空穴的浓度和氧移动性，提高了Ni基稀土固溶体的催化活性、稳定性和抗积碳性能。从而形成甲烷二氧化碳重整的新催化体系，为开发一类在催化化学领域具有广泛应用的新型催化材料提供理论指导与技术支撑。