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Synergistic Catalysis at the Ni/ZrO2–x Interface toward Low-Temperature CO2 Methanation

甲烷化 催化作用 材料科学 空间速度 离解(化学) 吸附 化学工程 替代天然气 金属 氢氧化物 傅里叶变换红外光谱 多相催化 无机化学 合成气 选择性 物理化学 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Hui Wang,Zeyang Li,Guoqing Cui,Min Wei
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 19021-19031 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01544
摘要

The CO2 methanation reaction, which achieves the carbon cycle and gains value-added chemicals, has attracted much attention, but the design and exploitation of highly active catalysts remain a big challenge. Herein, zirconium dioxide-supported Ni catalysts toward low-temperature CO2 methanation are obtained via structural topological transformation of NiZrAl-layered double hydroxide (LDH) precursors, which have the feature of an interfacial structure (Ni-O-Zr3+-Vö) between Ni nanoparticles and ZrO2-x support (0 < x < 1). The optimized catalyst (Ni/ZrO2-x-S2) exhibits exceptional CO2 conversion (∼72%) at a temperature as low as 230 °C with a ∼100% selectivity to CH4, without obvious catalyst deactivation within a 110 h reaction at a high gas hourly space velocity of 30,000 mL·g-1·h-1. Markedly, the space-time yield of CH4 reaches up to ∼0.17 molCH4·gcat-1·h-1, which is superior to previously reported Ni catalysts evaluated under similar reaction conditions. Both in situ/operando investigations (diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy and X-ray absorption fine structure) and catalytic evaluations substantiate the interfacial synergistic catalysis at the Ni/ZrO2-x interface: the Zr3+-Vö facilitates the activation adsorption of CO2, while the H2 molecule experiences dissociation at the metallic Ni sites. This work demonstrates that the metal-support interface effect plays a key role in improving the catalytic behavior toward CO2 methanation, which can be extended to other high-performance heterogeneous catalysts toward structure-sensitive systems.
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