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Hydride Vacancy−Driven Photothermal C−H Activation over Ni/TiH 2 Catalysts

催化作用 化学 材料科学 氢化物 光化学 光热治疗 无机化学 活化能 化学工程 多相催化 选择性 钯 纳米颗粒
作者
Jianheng Xu,Bingqiao Xie,Zeshu Zhang,Zhe Lu,X Yan,Niannian Meng,Xiaotao Zhou,Kaijie Liu,Cheng Rao,Guoping Hu,Xiangguang Yang,Yibo Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c01215
摘要

Dry reforming of methane (DRM) offers a route for utilizing CH4 and CO2; its application remains limited by the high temperatures (>700°C) required to overcome the kinetic barriers of C−H bond activation. Herein, we report a photothermal Ni/TiH2 catalyst that enables highly efficient DRM conversion below 450 °C. Surface hydride vacancies in TiH2 as the active sites for direct C−H activation of CH4 under photothermal conditions, while its lattice hydrogen dynamically replenishes these vacancies to sustain a high density of reactive sites. Isotope labeling experiments confirmed that the Ni nanoparticles as the primary centers for H−D bond dynamic exchange reactions (H2 formation), effectively coupling vacancy-driven methane activation with CO2 dissociation. The kinetic and theoretical studies revealed that photogenerated charge carriers promote the formation and stabilization of surface hydride vacancies and accelerate subsequent surface reaction steps. As a result, a CO production rate of 545.4 mmol·gNi−1·h−1 is achieved at 200 °C, exceeding the thermodynamic equilibrium limit over three orders of magnitude and delivering a light-to-fuel efficiency of approximately 8.0%. These findings elucidate the mechanistic role of surface hydride vacancy in C−H activation and highlight the potential of metal hydrides as promising supports for CH4 and CO2 conversion.
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