Understanding complete oxidation of methane on spinel oxides at a molecular level

脱氢 甲烷 催化作用 尖晶石 过渡金属 氧化物 氧气 无机化学 金属 材料科学 化学 甲烷厌氧氧化 有机化学 冶金
作者
Franklin Tao,Junjun Shan,Luan Nguyen,Ziyun Wang,Shiran Zhang,Li Zhang,Zili Wu,Weixin Huang,Shibi Zeng,P. Hu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:289
标识
DOI:10.1038/ncomms8798
摘要

It is crucial to develop a catalyst made of earth-abundant elements highly active for a complete oxidation of methane at a relatively low temperature. NiCo2O4 consisting of earth-abundant elements which can completely oxidize methane in the temperature range of 350–550 °C. Being a cost-effective catalyst, NiCo2O4 exhibits activity higher than precious-metal-based catalysts. Here we report that the higher catalytic activity at the relatively low temperature results from the integration of nickel cations, cobalt cations and surface lattice oxygen atoms/oxygen vacancies at the atomic scale. In situ studies of complete oxidation of methane on NiCo2O4 and theoretical simulations show that methane dissociates to methyl on nickel cations and then couple with surface lattice oxygen atoms to form –CH3O with a following dehydrogenation to −CH2O; a following oxidative dehydrogenation forms CHO; CHO is transformed to product molecules through two different sub-pathways including dehydrogenation of OCHO and CO oxidation. The development of methane oxidation catalysts made of earth-abundant elements is an important challenge. Here, the authors report a cost-effective nickel-cobalt oxide which outperforms precious-metal-based alternatives, due to the combination of transition metal cations and surface oxygen vacancies.

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