层状双金属氢氧化物的层间阴离子对衍生的Ni-Al₂O₃催化剂光热催化CO₂甲烷化反应的影响

摘要

太阳能驱动的二氧化碳（CO₂）甲烷化反应不仅有助于减少多余的碳排放，而且是生产燃料的重要途径。层状金属双氢氧化物（layered double hydroxides,LDH）可以在高温还原气（H₂/Ar）氛围中还原，转化为金属负载于氧化物（MO）的催化剂。这些催化剂在CO₂加氢反应中作为优秀的光热催化剂被广泛应用。然而，有关LDH的层间阴离子类型如何影响CO₂甲烷化活性的研究还相对有限。本文研究了包含不同层间阴离子的镍（Ni）铝（Al） LDH前驱体，通过在H₂/Ar气氛中还原处理，制备了一系列Ni负载在氧化铝（Al₂O₃）上的MO催化剂，这些催化剂被命名为NiAl-x-MO （其中x代表CO₃、NO₃、Cl和SO₄，分别代表碳酸根、硝酸根、氯离子和硫酸根等阴离子）。其中，NiAl-CO₃-MO催化剂表现出50.1%的CO₂转化率，99.9%的甲烷（CH₄）选择性以及94.4 mmol?g^-1?h^-1的CH₄产出速率。与之相比，NiAl-Cl-MO和NiAl-SO₄-MO催化剂的CO₂甲烷化活性极低。H₂程序升温脱附（temperature programmed desorption with H₂,H₂-TPD）实验和密度泛函理论计算（density functional theory,DFT）结果表明，低CO₂转化率是由于残留的氯（Cl）或硫（S）与金属Ni形成的强配位键阻碍了H₂的吸附和活化。因此，在设计LDH衍生的催化剂，特别是用于氢化反应的Ni基催化剂时，应优先考虑层间阴离子在LDH中的重要作用。

关键词

光热催化 / CO₂甲烷化 / Ni-Al₂O₃催化剂 / 层状金属双氢氧化物 / 层间阴离子

基金资助

国家自然科学基金(21972052,22272061); 辐射化学与功能材料湖北省重点实验室开放基金(2021KF01)资助项目