CO₂的大量排放引发了一系列环境问题，因此将其转化为高价值产品技术受到了研究人员普遍的关注。天然气（甲烷）在世界能源消耗中占有极大的比例，将CO₂通过加氢反应催化生成甲烷是一种具有应用前景的技术。开发具有低温活性好和稳定性强的镍基甲烷化催化剂仍然是一个很大的挑战。
近期，我校资源化工与材料教育部重点实验室郑鹏博士与中科院过程工程研究所苏发兵研究员团队在CO₂甲烷化方面的合作研究取得系列进展：
（1） 采用离子交换反向负载的方法，合成了具有可控CeO₂-Ni和Cr₂O₃-Ni界面结构的反相CeO₂-Cr₂O₃/Ni模型催化剂，研究了氧化物-金属界面在CO₂甲烷化性能中的作用。结合郑鹏博士的理论计算，揭示了CeO₂-Ni界面处遵循甲酸盐路径，而Cr₂O₃-Ni界面处遵循CO路径并具有更低的活化能垒（图1）。该研究成果发表于《Applied Catalysis B: Environmental》(IF=22.1) (2023, 339, 123121. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123121)。沈阳化工大学硕士研究生田郡博和郑鹏博士为该论文的共同第一作者。



图1.催化剂结构与反应机理示意图
（2）采用水热+浸渍的方法，制备了Ru单原子和Ni纳米颗粒组成的双活性中心串联催化剂（图2），研究了CO₂吸附和活化的位点，结合郑鹏博士的理论计算，揭示了其中Ru₁位点更有效地将CO₂转化为CO，而Ni位主要将CO加氢为CH₄，该研究成果发表于《Applied Catalysis B: Environmental》(IF=22.1) (2023, 323, 122190. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122190)。中科院过程所博士研究生张腾飞和郑鹏博士为该论文的共同第一作者。

图2.催化剂结构与反应机理示意图
（3）采用高温炭化热解的方法，制备了NiO@Ni/NC催化剂，研究了以H₂O为氢源光热协同催化CO₂甲烷化（图3），结合郑鹏博士的甲烷化路径计算，揭示了H₂O 更容易在NiO表面解离，并在Ni表面形成H₂，而*COOH是反应的关键中间产物，该研究成果发表于《Nano Research》(IF=9.9)（in press. https://doi.org/10.1007/s12274-023-6226-5）。中科院过程所博士研究生周赟和郑鹏博士为该论文的共同第一作者。

图3. 催化剂结构与反应机理示意图
（4）采用电化学置换方法，制备了Ru₁Ni/SiO₂单原子合金催化剂（图4），研究了Ru₁-Ni配位和Ru₁-Ni之间的电子的转移，结合郑鹏博士的理论计算，揭示了Ru₁Ni-SAA的界面是本征活性位并促进了CO₂的直接解离，降低了CO* 中间体加氢的能垒，从而提高了CO₂加氢制CH₄的反应速率，该研究成果发表于《Small》(IF=13.3)（in press. https://doi.org/10.1002/smll.202308193）。中科院过程所博士研究生张腾飞和郑鹏博士为该论文的共同第一作者。

图4. 催化剂结构与反应机理示意图
（5）采用高温惰性气氛处理的方法，制备了再分散的NiRu/CeO₂催化剂，研究了再分散过程中金属相的分离，结合郑鹏博士的理论计算，揭示了新生成的Ni-Ru金属界面有利于CO₂的吸附并进一步直接解离为CO，从而提高了催化性能（图5），该研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》(IF=13.3)（accepted）。中科院过程所博士研究生张腾飞和郑鹏博士为该论文的共同第一作者。

图5. 催化剂结构与反应机理示意图