本技术提供了一种Ni掺杂的稀土金属型纳米氧化物及其制备方法和应用。本发明通过采用稀土金属源和Ni源直接混合后,再制备前驱体,并进行还原后,得到的纳米氧化物中,Ni表现为原子级分散,主要呈Ni<supgt;2+</supgt;,可以构建丰富的均匀分布且稳定的Ni‑O活性位点。另外,采用上述方法,可以使得Ni掺杂的稀土金属型纳米氧化物中,Ni元素的含量达到10 wt%左右,远高于现有技术水平。另外,本发明提供的制备方法,合成原料易得,方法简单方便耗时短,易于实现规模化生成。经测试,Ni掺杂的稀土金属型纳米氧化物具有优异的光热催化活性。
背景技术
甲烷干重整(dry reforming of methane,DRM)可以同时利用CO2
和CH4
这两类主要的温室气体生产有价值的合成气(CO+H2
),因此被提出并进行了研究(Chem Rev. 2017,117(13), 8497-8520)。合成气可通过费托合成法进一步合成烯烃和汽油等高价值化学品的重要原料。因此,DRM反应不仅能有效缓解温室效应,同时还可能为传统化石燃料提供一种可行的替代品,从而促进未来能源的可持续发展。此外,这项技术的进步使得高二氧化碳含量天然气的有效开采成为可能,为其更广泛的应用铺平了道路,而传统的蒸汽重整方法则很难利用这一资源。
由于CO2
和CH4
非常稳定难以激活,导致DRM的能量需求高达247 kJ mol-1
,通常需要700~1000°C的高温,加上1~30个大气压的压力来驱动反应,导致较多能量消耗。因此,为了促进低温DRM反应的发生,可引入清洁和可持续的光能作为一种替代能源。迄今为止,已经开发了各种用于光驱动DRM的催化剂。在各种催化剂中,Ni基材料表现出优异的甲烷裂解能力,其活性与贵金属催化剂不相上下,且价格远低于贵金属。但Ni基催化剂容易烧结,导致活性位点的数量减少。另外,过量的碳沉积会在几个循环后导致催化剂发生明显的失活。这是由于与贵金属相比,Ni表面的甲烷裂解反应的平衡常数更高,因而促进了无活性碳纳米管和石墨碳层的形成和生长,阻塞催化剂活性位点。
基于上述问题,Akri等通过制备单原子催化剂Ni/HAP-Ce催化剂以抑制甲烷过度裂解导致的积碳,但当Ni负载量增加到10 wt%时仍旧会形成Ni颗粒(Nat Commun. 2019,10, 5181)。Tavasoli等通过选择性地磷化CeO2
纳米棒载体表面,来调节Ni-CeO2
光催化剂性能,但其活性仍旧较低(Nat Commun. 2023, 14, 1435)。因此,如何通过简单有效的方法在保留Ni基催化剂高活性的同时进一步提高其稳定性,仍是其实际应用的迫切要求。
实现思路