催化学报 ›› 2026, Vol. 83: 400-410.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64951-0

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Al2O3孤岛与Ir@Pt/TiO2协同催化实现高活性耐硫甲烷氧化

武金玮, 陈俊妃, 张明康, 芮泽宝*()   

  1. 中山大学化学工程与技术学院, 广东省海洋生物质平台化学品及其功能化工程技术研究中心, 广东省南方海洋实验室(珠海), 广东珠海 519082
  • 收稿日期:2025-08-11 接受日期:2025-10-27 出版日期:2026-04-18 发布日期:2026-03-04
  • 通讯作者: * 电子信箱: ruizebao@mail.sysu.edu.cn (芮泽宝).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22476222);广东省重点领域研发项目(2020B1111360004);广东省自然科学基金杰出青年基金(2022B1515020098)

Engineering isolated Al2O3 island enables adjacent TiO2-supported Ir@Pt nanoparticles for efficient and sulfur-resistant lean methane oxidation

Jinwei Wu, Junfei Chen, Mingkang Zhang, Zebao Rui*()   

  1. School of Chemical Engineering and Technology, Guangdong Engineering Technology Research Center for Platform Chemicals from Marine Biomass and their Functionalization, Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, Guangdong, China
  • Received:2025-08-11 Accepted:2025-10-27 Online:2026-04-18 Published:2026-03-04
  • Contact: * E-mail: ruizebao@mail.sysu.edu.cn (Z. Rui).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22476222);R&D projects in key areas of Guangdong Province(2020B1111360004);Natural Science Funds of Guangdong for Distinguished Young Scholar(2022B1515020098)

摘要:

在天然气利用和煤矿开采过程中, 低浓度CH4的释放会加剧温室效应. 在催化剂的作用下, 将CH4氧化为温室效应低21倍的CO2是缓解全球变暖的一种可行方法. 然而, 天然气田中存在的微量的SO2会覆盖催化剂活性位点导致其快速失活. 当前提高CH4氧化催化剂抗硫性能的常规策略是在催化剂本体中引入牺牲剂, 例如贵金属添加剂、可硫酸化载体. 尽管这些策略可以延缓硫中毒, 但由于载体硫酸盐的形成, 催化剂的失活速率仍较快. 此外, 牺牲剂的添加在某些情况下也会导致成本增加和活性降低. 因此, 如何在不损失催化剂反应活性、不增加成本的前提下提升催化剂的抗硫性能仍是一个挑战.
本工作创新性地提出了Al2O3孤岛策略, 在不牺牲活性且不增加成本的情况下保护了催化剂活性组分免受SO2毒化失活. 首先, 考虑到IrOx具有较高的C‒H活化能力、Pt-Ir协同对CH4氧化活性的促进作用以及TiO2载体具有较强的金属-载体相互作用, 设计了具有优异活性的Ir@Pt/TiO2催化剂. 然后, 将Al2O3孤岛与Ir@Pt/TiO2进行物理混合, 构建了兼具高活性和抗硫性能的Ir@Pt/TiAl催化剂. 得益于Ir@Pt纳米颗粒的核壳结构、Pt原子的电子修饰作用以及TiO2载体的促分散作用, Ir@Pt纳米颗粒在TiO2载体上实现了均匀分散, 在常规空速30000 mL g-1 h-1 (T90 = 325 °C)和极高空速600000 mL g-1 h-1 (T90 = 500 °C)下, 均表现出优异的CH4氧化活性(TOF = 1.2 s-1, 350 °C). 此外, H2-程序升温还原和X射线光电子能谱结果表明, Al2O3孤岛的添加对Ir@Pt纳米颗粒与TiO2载体的相互作用影响较小, 因此没有影响Ir@Pt纳米颗粒的高CH4氧化活性. 在反应气体含硫条件下, 原位红外结果表明, Al2O3孤岛优先吸附SO2生成了Al2(SO4)3, 抑制了载体硫酸盐Ti(SO4)2的形成. 反应后的能量散射谱结果表明, 反应过程中设计的Al2O3孤岛结构稳定, 具有较高的SO2吸附量, 显著提升了催化剂的抗硫性能. 基于上述实验结果, 可以得出催化剂抗硫机理: SO2首先吸附在Ir@Pt纳米颗粒上, 然后在高温下迁移到邻近的Al2O3孤岛上形成了Al2(SO4)3, 避免了载体硫酸盐Ti(SO4)2的形成, 从而保护了活性位点不受SO2毒化失活. 通过结合Al2O3孤岛的SO2吸附功能和Ir@Pt/TiO2催化剂的高活性, 制备的Ir@Pt/TiAl同时表现出优异的抗硫能力和CH4氧化活性, 在50 ppm SO2和30000 mL g-1 h-1的反应条件下, 连续反应50 h没有明显失活.
综上, 本文提出了在不损失活性和增加成本的前提下提高催化剂抗硫性能的孤岛策略, 并阐明了Al2O3孤岛的抗硫作用机理, 为解决CH4氧化催化剂SO2毒化失活问题提供了新路径, 为高效抗硫催化体系的开发设计提供了参考.

关键词: 抗硫, 甲烷催化氧化, 孤岛, 金属-载体相互作用, 氧化铝

Abstract:

Sulfur-induced catalyst deactivation has been a challenge in the design of gaseous pollutants purified catalyst. As the mainstream strategy for anti-sulfur catalyst design, the incorporation of sacrificial components into the catalyst bulk still faces issues such as increased cost and rapid activity decline. Herein, the physical isolated island strategy is proposed to improve the sulfur resistance and cost-effectiveness of a lean methane oxidation catalyst at no cost of its high activity. The isolated Al2O3 island suppresses the formation of sulfates on adjacent Ir@Pt nanoparticles and avoids the sulfation of Ir@Pt/TiO2. Meanwhile, the isolated Al2O3 island draws little effect on the chemical states of active sites. The sulfur adsorption function of isolated Al2O3 island and high activity of Ir@Pt/TiO2 are synergistically combined, leading to both remarkably high CH4 oxidation activity (TOF = 1.2 s‒1 at 350 °C) and high sulfur resistance without observable activity loss during 50 h on-stream test under 50 ppm SO2 and a space velocity of 30000 mL g‒1 h‒1. Such isolated-island strategy provides a meaningful reference for the efficient sulfur resistance catalyst design.

Key words: Sulfur resistance, Catalytic methane oxidation, Isolated island, Support-metal interaction, Alumina