Китайские учёные открыли скрытую структуру никеля, которая эффективнее работает с метаном

Частичное окисление метана (POM) — это перспективный промышленный метод производства синтез-газа, смеси, которую используют для получения топлива и химических веществ. Долгие годы учёные предполагали, что главную роль в этой реакции играют наночастицы металлического никеля. Но оставался важный вопрос: металлический никель, обнаруживаемый после реакции, может просто образоваться в результате восстановления оксида никеля синтез-газом при высокой температуре, а не быть веществом, которое на самом деле катализирует процесс.

Что изменяется при высокой температуре

Никель может менять как степень окисления, так и атомное расположение при высокотемпературных условиях восстановления-окисления, характерных для POM. До сих пор эти изменения было сложно отследить в деталях, что затрудняло определение истинной структуры, ответственной за реакцию.

Открытие активной структуры

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Catalysis, учёные из Далянского института химической физики Китайской академии наук во главе с профессорами Тао Чжаном, Айцинь Ван и Сяоянь Лю обнаружили, что высокоактивные структуры образуются прямо во время реакции, когда поверхность оксида никеля перестраивается. Результаты показывают атомный источник каталитической активности и подтверждают важность наблюдения за катализаторами в условиях реальной работы.

Результаты с низким содержанием никеля

Исследователи создали катализатор Ni/Al₂O₃ с содержанием никеля всего 0,8 wt% методом микроэмульсии. Несмотря на относительно низкое содержание никеля, катализатор показал сильные результаты: конвертировал 92% метана, селективность по CO и H₂ достигла 87,0%, а мольное соотношение H₂/CO оставалось стабильным на уровне около 2,0.

Самый поразительный результат: после реакции в катализаторе почти не обнаруживалось металлического никеля. При этом его общая производительность была сравнима с катализатором 8,0 wt% Ni/Al₂O₃, полученным методом пропитки, хотя содержал в 10 раз меньше никеля.

Роль перестройки структуры

Во время реакции исследователи зафиксировали образование перестроенной структурной единицы [Ni₁O₄Ni₄] на поверхности NiO(100). Расчёты методом функционала плотности показали, что эта новообразованная структура значительно облегчает разрыв C-H связей в метане — один из ключевых этапов активации молекулы. Рассчитанный барьер активации составил 12,5 kcal mol⁻¹.

Этот барьер был намного ниже, чем для неповреждённой поверхности NiO(100) (38,5 kcal mol⁻¹) и ниже, чем для поверхности металлического Ni(111) (15,7 kcal mol⁻¹). Такое кинетическое преимущество подтверждает, что перестроенная структура — это истинный активный центр, ответственный за POM.

Значение для промышленности

Исследование показывает, что каталитическая активность возникает не просто из металлического никеля или обычного оксида никеля, а из специфической атомной структуры, которая формируется динамически во время реакции. По словам профессора Лю, динамическая перестройка позволяет катализаторам с низким содержанием металла достичь высокой производительности, открывая новые возможности для рационального проектирования эффективных катализаторов с меньшей зависимостью от высокого содержания металла.

Это данные исследования, а не медицинский совет.