Nanoscale Core–Shell Catalysts for H 2 Production by Methane Decomposition: Supported Nickel Nanoparticles Ensheathed in Metal Oxides

化学 纳米尺度 纳米颗粒 催化作用 分解 甲烷 碳纳米管 金属 键裂 产量(工程) 拉曼光谱 化学工程 纳米管 纳米技术 碳纤维 多相催化 密度泛函理论 空间速度 协同催化 等温过程
作者
Qiangqiang Xue,Shuairen Qian,Kang Hui Lim,Melvin Xin Jie Wee,Kaiqi Nie,Shuwen Cheng,Xiaohan Chen,Prae Chirawatkul,Bernt Johannessen,Binhang Yan,Zongyou Yin,Yujun Wang,Guangsheng Luo,Bruce C. Gates,Sibudjing Kawi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (42): 38141-38157 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10017
摘要

Catalytic methane decomposition provides a potentially viable route to low-cost, CO x -free H 2 from this abundant source. A remaining challenge is to facilitate the needed low-temperature C–H bond activation with high catalytic activity and stability. We now report the design and synthesis of supported Ni catalysts that address these limitations; they consist of silica-supported Ni nanoparticles ensheathed in nanoscale TiO 2 shells, forming an embedded core–shell structure that provides catalyst stability, maintaining a H 2 site-time yield of 3.6 mol/g Ni /h at a space velocity of 24000 mL g cat –1 ·h –1 at 550 °C for 6 h on stream in a flow reactor. In contrast, a comparable catalyst without the sheath deactivated after only 2.5 h, being characterized by a Ni-extracting tip-growth mechanism of coproduct carbon nanotube formation that destroyed the catalyst. An advantage of the ensheathed catalyst is that it facilitates a Ni-sparing base-growth mechanism. Infrared and Raman spectra, combined with other catalyst characterization data and calculations at the level of density functional theory, show that the TiO 2 sheaths barely hinder the C–H bond cleavage and carbon nanotube formation on the underlying nickel, while providing the advantages stated above. We postulate that these results provide guidance for the synthesis of catalysts for low-temperature H 2 production and related reactions requiring C–H bond activation.
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