催化学报 ›› 2026, Vol. 87: 113-125.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65095-4

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引发二氧化碳选择性加氢制甲烷的最小镍物种: 限域在MFI结构中的镍二聚体以及锰氧化物的增强作用

王森a,1, 李诗颖a,1, 耿蕊a,b, 周博c,*(), 王鹏飞a, 秦张峰a, 董梅a, 王建国a,b, 樊卫斌a,*()   

  1. a 中国科学院山西煤炭化学研究所, 煤炭高效低碳利用全国重点实验室, 山西太原030001, 中国
    b 中国科学院大学化学化工学院, 北京 100049, 中国
    c 化学与精细化工广东省实验室, 广东汕头 515031, 中国
    d 挪威奥斯陆大学化学系, 材料与纳米科学中心(SMN), 奥斯陆, 挪威
  • 收稿日期:2025-12-03 接受日期:2026-01-13 出版日期:2026-08-18 发布日期:2026-06-24
  • 通讯作者: *电子信箱: zhoubo@ccelab.com.cn (周博),
    fanwb@sxicc.ac.cn (樊卫斌).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2023YFB4103102);国家自然科学基金(21991090);国家自然科学基金(21991092);国家自然科学基金(22322208);国家自然科学基金(22272195);国家自然科学基金(U22A20431);国家自然科学基金(22402071);山西省基础研究计划(202203021224009);山西省基础研究计划(202403021212302);中国科学院山西煤炭化学研究所所创新项目(SCJC-DT-2023-06);中国科学院青年创新促进会项目(2021172)

The smallest Ni species triggering selective hydrogenation of CO2 to methane: Ni dimer embedded in MFI and enhancement of MnOx

Sen Wanga,1, Shiying Lia,1, Rui Genga,b, Bo Zhouc,*(), Pengfei Wanga, Zhangfeng Qina, Mei Donga, Jianguo Wanga,b, Unni Olsbyed, Weibin Fana,*()   

  1. a State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China
    b University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    c Chemistry and Chemical Engineering Guangdong Laboratory, Shantou 515031, Guangdong, China
    d Department of Chemistry, Centre for Materials and Nanoscience (SMN), University of Oslo, P.O. Box 1033, Blindern, NO-0315 Oslo, Norway
  • Received:2025-12-03 Accepted:2026-01-13 Online:2026-08-18 Published:2026-06-24
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2023YFB4103102);National Natural Science Foundation of China(21991090);National Natural Science Foundation of China(21991092);National Natural Science Foundation of China(22322208);National Natural Science Foundation of China(22272195);National Natural Science Foundation of China(U22A20431);National Natural Science Foundation of China(22402071);Fundamental Research Program of Shanxi Province(202203021224009);Fundamental Research Program of Shanxi Province(202403021212302);Innovation foundation of Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences(SCJC-DT-2023-06);Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (CAS)(2021172)

摘要:

将二氧化碳(CO2)转化为高附加值的燃料和化学品, 是实现碳资源循环利用的有效策略. CO2可以通过催化加氢反应转化为多种化学产品, 如甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、甲醇、低碳烯烃和芳烃等. 在这几种反应途径中, CO2甲烷化反应具有更高的反应速率和目标产物选择性, 且能耗低于合成甲醇和C2+烃化合物. 此外, 相对温和的反应条件易于工业化放大, 也为缓解当前的天然气危机提供了一条潜在途径. Ni基催化剂被广泛用于CO2加氢制CH4反应中, 但传统报道的Ni基催化剂往往需要极高的Ni负载量(5%‒50%)才能有效促进CO2的活化以及CH4的生成. 过多Ni的使用, 不仅导致催化剂制备成本提高, 同时也降低了催化剂稳定性. 降低Ni负载量虽然可以显著提高活性位点的分散度, 有利于暴露更多的活性位点, 但在CO2加氢过程中主要生成的产物是CO而非CH4, 这是因为在较低Ni负载量情况下, NiO与载体相互作用过强, 抑制NiO还原为金属Ni, 导致催化剂的加氢性能下降.

因此, 提高Ni的原子利用效率、降低催化剂制备成本, 并且探明最小的活性Ni物种的结构以及在反应过程中的结构-性能关联, 对于设计和研制新型高性能Ni基催化剂至关重要. 本文制备了一系列Ni-MnOx@MFI催化剂, 其中Ni氧化物和锰氧化物物种高度分散在全硅沸石孔道中. 通过原位X-射线衍射、高分辨球差电镜、积分差分相位衬度-扫描透射电镜、X-射线吸收近边结构/X-射线吸收精细结构、动力学实验、密度泛函理论(DFT)计算和从头计算分子动力模拟等方法, 研究了最小活性Ni物种的结构以及不同结构的Ni位点对H2解离和CO*中间体加氢生成CH4的催化活性的影响. 结果表明, Ni二聚体(Ni2)是CO2甲烷化的最小活性Ni团簇, CH4形成活性随Ni2含量的增加而线性增加. 引入锰氧化物(MnOx)不仅有助于Ni氧化物还原为Ni2位点, 而且还能增强H2解离和CO*中间体吸附及加氢能力, 因为MnOx增加了Ni位点的电子密度. 因此, 在400 °C、12000 mL·g-1·h-1和0.5 MPa条件下, Ni-MnOx@MFI仅具有约0.86%的Ni负载量, 就实现了约76%的CO2转化率、约98%的CH4选择性和~455 mol•molNi-1•h-1的CH4时空产率, 超过了在类似条件下已报道的Ni基催化剂的性能. 原位漫反射红外光谱(DRIFTS)、D2 标记原位DRIFTS、质子转移反应飞行时间质谱以及DFT计算结果表明, 加入Mn助剂并没有改变中间体的生成方式, 但是促进了加氢反应, 产生了更多的CHx*中间体, 最终促进了CH4的生成. 进一步利用DFT计算考察了在单原子Ni1, Ni二聚体以及Ni纳米颗粒上CO2加氢的反应动力学. 通过计算不同基元反应本征活化能以及相应的反应速率常数, 证实了单原子Ni位点表现出了最低的CO2加氢制CH4活性, 因为其非常弱的加氢活性; 而相比于Ni纳米颗粒, Ni二聚体具有更低的加氢能垒, 因而具有更强的CH4生成活性.

总之, 本文不仅阐明了对CO2甲烷化反应具有活性的最小Ni团簇的结构, 还确定了结构不同的Ni物种的催化性能, 并实现了对催化剂中Ni物种结构的有效调控. 因此, 制备出了用于CO2甲烷化的高效Ni基催化剂, 其Ni负载量可大幅降低至1%以下, 为进一步研发高性能CO2加氢催化剂提供了理论指导.

关键词: 分子筛, 限域封装, Ni基催化剂, Ni二聚体, 二氧化碳加氢, 反应机理

Abstract:

Ni-based catalysts have shown significant potential in CO2 methanation, but the high catalytic performance is usually obtained at quite high Ni loading, as small particles just transform CO2 into CO via reverse water gas shift reaction. Thus, a scientifically and practically important work is clarification of the structure of the smallest active Ni species and the catalytic activity of structurally different Ni species. Here, MnOx-modulated metallic nickel dimers (MnOx-Ni2) were embedded in silicalite-1 framework at a Ni loading of ~0.86%. It’s CO2 conversion, CH4 selectivity and CH4 space time yield (STY) surprisingly reach ~76%, ~98% and ~450 mol·molNi-1·h-1 at 400 °C, 0.5 MPa and 12000 mL·g-1·h-1. Such a catalytic performance can be well maintained at least within 200 h. In-situ spectroscopy, density functional theory (DFT) calculation and ab initio molecular dynamics simulation results confirm that Ni dimer (Ni2) is the smallest Ni cluster triggering the CO2 methanation and the CH4 formation activity is linearly increased with the Ni2 content. Introduction of MnOx not only increases the number of Ni2 species, but also improves its intrinsic activity in CO2 methanation, as MnOx enhances the electronic density of Ni species and facilitates NiO reduction to MnOx-Ni2 species. This species shows higher H2 dissociation activity than single atom Ni (Ni1), pure Ni2 and large Ni nanoparticles (NPs). In addition, it exhibits much stronger CO adsorption and lower energy barrier of CO* intermediate hydrogenation to CH4. In-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), isotope-labeled in-situ DRIFTS, on line mass spectroscopy (MS), Proton transfer reaction time of flight PTR TOF-MS and DFT calculation results reveal that CO2 hydrogenation to methane on MnOx-Ni2@MFI mainly follows the HCOO* and CO* intermediates route.

Key words: Zeolite, Confined encapsulation, Ni-based catalyst, Nickel dimers, CO2 hydrogenation, Reaction mechanism