催化学报 ›› 2025, Vol. 72: 243-253.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64681-X

• 论文 • 上一篇    下一篇

反应条件下Ni/Mo2CTx MXene催化剂结构演变调节CO2还原性能

马军a,b, 徐冰b, 曹硕b,c, 李世艳b,d, 储伟a,*(), Siglinda Perathonere, Gabriele Centie, 刘岳峰b,*()   

  1. a四川大学化工学院, 四川成都 610065, 中国
    b中国科学院大连化学物理研究所, 辽宁大连 116023, 中国
    c中国石化石油化工研究院有限公司, 北京 100083, 中国
    d中国科学院大学, 北京 100049, 中国
    e墨西拿大学ChiBioFarAm系, 墨西拿, 意大利
  • 收稿日期:2024-12-14 接受日期:2025-03-21 出版日期:2025-05-18 发布日期:2025-05-20
  • 通讯作者: *电子信箱: yuefeng.liu@dicp.ac.cn (刘岳峰),chuwei1965@scu.edu.cn (储伟).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21972140);国家自然科学基金(22172161);国家自然科学基金(22472168);大连市科技创新基金(2024JJ12RC034);大连化学物理研究所创新基金(DICP I202421);榆林市清洁能源创新研究院能源革命科技计划(E411020705);中国科学院国际人才计划(PIFI)

Structural dynamics of Ni/Mo2CTx MXene catalysts under reaction modulate CO2 reduction performance

Jun Maa,b, Bing Xub, Shuo Caob,c, Shiyan Lib,d, Wei Chua,*(), Siglinda Perathonere, Gabriele Centie, Yuefeng Liub,*()   

  1. aCollege of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China
    bDalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    cSINOPEC Research Institute of Petroleum Processing Co., Ltd., Beijing 100083, China
    dUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    eDepartment ChiBioFarAm, University of Messina, 98166 Messina, Italy
  • Received:2024-12-14 Accepted:2025-03-21 Online:2025-05-18 Published:2025-05-20
  • Contact: *E-mail: yuefeng.liu@dicp.ac.cn (Y. Liu), chuwei1965@scu.edu.cn (W. Chu).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21972140);National Natural Science Foundation of China(22172161);National Natural Science Foundation of China(22472168);Dalian Science and Technology Innovation Fund(2024JJ12RC034);Dalian Institute of Chemical Physics(DICP I202421);Energy Revolution S&T Program of Yulin Innovation Institute of Clean Energy(E411020705);CAS President's International Fellowship Initiative (PIFI) Program

摘要:

过渡金属碳化物MXene作为典型的二维材料, 具有丰富的表面端基和独特的物理化学性质被视为一种新型的催化载体材料. 然而, 催化反应中所表现的金属-载体相互作用及结构演变机制尚未明晰. 众所周知, 传统负载型催化剂中金属纳米颗粒在高温和反应气氛下往往会经历烧结、熟化及再分散等多种结构变化, 这些结构变化则直接决定了催化剂的活性和选择性. 因此, 研究催化剂在实际反应条件下的结构演变, 不仅能深入理解金属与载体之间的相互作用方式, 也可为调控催化性能提供重要理论依据. 基于此, 本工作以Mo2CTx MXene材料负载Ni纳米粒子为研究对象, 深入探究了Ni/Mo2CTx催化剂在CO2加氢过程中的结构演变, 解析MXene载体的表面结构变化以及与金属颗粒的相互作用, 进而关联催化性能并理解其构-效关系.

本文首先通过HCl刻蚀Mo2Ga2C的方法制备了Mo2CTx, 然后采用浸渍法合成了用于CO2加氢反应的Ni/Mo2CTx负载型催化剂. 在CO2加氢过程中, 该催化剂的CO选择性随温度升高呈先降后升的趋势. 然而, 在第二轮升温测试中, CO选择性始终保持在93%以上, 而CO2转化速率几乎不变. 这表明Ni/Mo2CTx催化剂在使用过程中发生了结构转变, 导致CH4生成速率下降. 电子显微镜和X射线表征研究揭示了催化剂的结构演变. 高分辨透射电子显微镜结果表明, 经过500 °C反应2 h后, Ni的平均粒径从12.9减至3.1 nm. X射线光电子能谱分析结果表明, 使用后表面未连接端基的Mo原子比例从1.8%增加至7.1%, Ni的结合能向高结合能方向偏移0.2 eV, 表明部分Mo2CTx端基被移除, Ni向Mo2CT2转移了更多电荷. X射线衍射结果也表明, Mo2CTx端基被部分移除而非完全去除. 拉曼光谱分析进一步证实形成了Ni-Mo物种. 原位漫反射红外光谱实验揭示了选择性转变的反应机理. 结果表明, CO2通过甲酸盐和碳化物路径生成CO和CH4, 其中甲烷主要依赖于甲酸盐路径. Ni纳米颗粒的分散降低了甲酸盐中间体的生成速率, 抑制了甲酸盐路径, 增强了碳化物路径. 因此, CH4生成速率下降, 而CO生成速率提高.

本研究通过揭示Ni/Mo2CTx催化剂在CO2加氢反应中的结构演变与金属-载体相互作用形式, 对其影响反应选择性提供了重要见解, 为利用Mo2CTx或其他MXene材料作为催化剂载体的设计与优化提供了新的研究思路.

关键词: Mo2CTx MXene, 二氧化碳加氢, 金属-载体相互作用, 催化选择性, 结构演变

Abstract:

The catalyst's structural dynamics under reaction conditions critically determine their performance. We proved this indication by studying Ni nanoparticles supported on Mo2CTx MXene, where the average size during CO2 hydrogenation changed from 12.9 to 3.1 nm. A parallel increase of CO selectivity from 21.1% to 92.6% at 400 °C was observed, while the CO2 conversion rate remained at about 84.0 mmol·gcat-1·h-1. This transformation involved partial removal of Mo2CTx terminal groups, allowing direct interaction between Ni and Mo atoms instead of indirect coupling through -O terminations. The shift from a Ni-O-Mo to a Ni-Mo interaction enhanced electron transfer from Ni to Mo2CTx, strengthening the metal-support interaction and driving Ni nanoparticle dispersion. In-situ mechanistic analysis and kinetic isotope studies revealed that Ni dispersion suppresses the formate and carboxyl pathway, promotes direct CO2 dissociation, and inhibits CO hydrogenation, shifting the primary product from CH4 to CO. These findings provide a strategy for designing highly selective and stable MXene-based catalysts through engineered metal-support interactions.

Key words: Mo2CTx MXene, CO2 hydrogenation, Metal-support interactions, Catalytic selectivity, Structure evolution