《文章投稿》水蒸氣對等離子體輔助PtOx/BN納米帶氣凝膠催化劑上CH4部分氧化的影響

1. 文章信息

標題：

Effect of H2O vapor on plasma-assisted partial oxidation of CH4 over PtOx/BN nanoribbon aerogel catalysts.

中文標題： 水蒸氣對等離子體輔助PtOx/BN納米帶氣凝膠催化劑上CH4部分氧化的影響

頁碼： 115118 (Article number)

DOI： 10.1016/j.jcat.2023.115118

2. 文章鏈接

https://www.sciencedirect。。ｃｏｍ/science/article/abs/pii/S0021951723003639?via=ihub

期刊名： Journal of catalysis

ISSN：   0021-9517  

2023年影響因子： 6.5

分區(qū)信息： 中科院1區(qū)TOP

涉及研究方向：等離子體 甲烷

3. 作者信息：第一作者是Dong Li (李東), 通訊作者為Zean Xie (解則安) Zhen Zhao (趙震)

4. 所用設(shè)備名稱型號：北京中教金源（a new fixed bed plasma DRIFTS cell, Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）；

5. 文章簡介：

 制備了超輕的氮化硼納米帶氣凝膠負載高度分散的鉑氧化物納米顆粒（NPs）催化劑（PtOx/BN-na），并在含水蒸氣共進料的低溫甲烷-氧氣流動系統(tǒng)中用于等離子體輔助甲烷部分氧化（POM）反應(yīng)。水蒸氣與 PtOx/BN-na 催化劑的協(xié)同作用克服了甲烷轉(zhuǎn)化率與含氧化合物選擇性之間的權(quán)衡問題，在 13%的甲烷轉(zhuǎn)化率下實現(xiàn)了 95%的不wan  quan 氧化產(chǎn)物選擇性?？偤趸衔锏漠a(chǎn)率達到 106.5 mmoloxy gcat-1 h-1，這是目前氣相和液相 POM 反應(yīng)中先進催化劑的最佳結(jié)果之一。基于 D 和 O18 同位素標記、原位 OES 和原位 DRIFTS 的實驗結(jié)果表明，由等離子體活化反應(yīng) H2O + O2 在 PtOx NPs 活性位點生成的表面活性羥基或/和·OH 自由基是促進 POM 反應(yīng)的關(guān)鍵因素。催化劑表面等離子體輔助氧化反應(yīng)（CSPOR）的結(jié)果表明，水不僅促進了化學(xué)吸附的烴類物質(zhì)選擇性氧化為含氧化合物，而且還促進了含氧化合物從催化劑上的解吸。

本文亮點：

1. 超輕的 PtOx/BN 催化劑用于等離子體輔助的甲烷部分氧化。

2. 等離子體原位紅外和原位原子發(fā)射光譜表征結(jié)果證明：水蒸氣促進了化學(xué)吸附的烴類物質(zhì)的選擇性氧化。

3. 催化劑表面的等離子體反應(yīng)實驗結(jié)果證明：水蒸氣共進料有助于從催化劑上解吸含氧化合物。

圖文解析：

本研究開發(fā)了一類新的催化劑，超輕BN納米帶氣凝膠負載的高度分散的5-10 nm PtOx NP，其適用于低溫下在CH4-O2氣相流動系統(tǒng)中與水蒸氣共進料的等離子體輔助POM反應(yīng)。它們豐富的微米級3D互連多孔BN網(wǎng)絡(luò)有利于孔內(nèi)等離子體的產(chǎn)生，并且它們的大比表面積也有利于PtOx NP的暴露/分散，這增加了等離子體激發(fā)的短壽命物種和PtOx NP活性位點之間的接觸概率。原位合成過程使得多孔BN納米帶通過強金屬-載體相互作用(SMSI)限域了高度分散的Pt NPs。所制備的Pt/BN-na催化劑在高溫?zé)崽幚?1000 ℃)下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗燒結(jié)性。

它們的上述性質(zhì)使得它們在水蒸氣輔助的等離子體POM反應(yīng)中具有高的催化效率和耐久性(10 h)。Pt2/BN-na催化劑表現(xiàn)出13%的CH4轉(zhuǎn)化率、61%的總含氧物選擇性和106.5 mmoloxygcat-1·h-1含氧化合物產(chǎn)率，這是現(xiàn)有技術(shù)催化劑中zui  hao de 結(jié)果之一，包括用于CH4/O2 POM氣體和CH4/H2O2 POM液體反應(yīng)的催化劑。此外，除了含氧化合物之外，還形成了CO (28.7%的C平衡選擇性)和H2 (15.6%的H平衡選擇性)，它們可用作合成氣的原料。獲得95%的不wan quan氧化產(chǎn)物選擇性。

系統(tǒng)研究了H2O對PBP POM反應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下:

首先，與僅等離子體模式相比，單個超輕催化劑填料或水蒸氣共進料沒有改變它們的放電參數(shù)和C1含氧化合物產(chǎn)率。它基本上排除了這些超輕材料的加入調(diào)節(jié)了放電行為。它們遵循CH4轉(zhuǎn)化率和含氧化合物選擇性之間的“蹺蹺板效應(yīng)"。只有高度分散的PtOx NPs活性位點和水蒸氣在等離子體場中的共存才能顯著提高CH4轉(zhuǎn)化率而不降低C1含氧化合物的選擇性。在相同的CH4轉(zhuǎn)化率(12.9%)下，Pt2/BN-na PBP模式的C1氧化選擇性是單一等離子體模式的兩倍，打破了“蹺蹺板效應(yīng)"。

第二，對于沒有O2的CH4-O2等離子體POM反應(yīng)，H2O解離很小，不足以提高CH4轉(zhuǎn)化率，表現(xiàn)出甲烷無氧偶聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)物分布。因此，H2O不能代替O2作為氧化劑，O2是等離子體輔助POM反應(yīng)的活性氧物種的主要來源。根據(jù)D同位素標記、原位OES和原位DRIFTS的實驗結(jié)果，認為H2O和O2在PtOx納米粒子上的等離子體活化反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性羥基或/和·OH自由基是提高甲烷選擇性轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。

第三，根據(jù)催化劑表面等離子體反應(yīng)實驗的結(jié)果，進一步證明了PtOx納米粒子是表面等離子體POM反應(yīng)的真正活性中心。H2O不僅促進來自CH4等離子體催化離解的化學(xué)吸附的烴物種的選擇性氧化，而且促進化學(xué)吸附的含氧物物種在Pt2/BN-na催化劑表面上的脫附。

圖1. (a, b)Pt2/BN-na催化劑的TEM圖像和HAADF-STEM圖像。(c) PtOx/BN-na催化劑的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機理示意圖。

在Pt2/BN-na催化劑上進行原位DFIRTS實驗，以探索H2O效應(yīng)對NTP輔助的POM反應(yīng)的影響(圖2和圖3)。在弱等離子體放電POM反應(yīng)條件下，Pt2/BN-na PBP模式的紅外光譜與CH4和O2吸附(等離子體關(guān)閉)的紅外光譜相似，表明表面等離子體反應(yīng)很弱。在相同的輸入功率和CH4-O2氣氛條件下，通過水蒸氣共進料，在3456和3380 cm-1處的譜帶對應(yīng)于物理吸附的H2O)，在波數(shù)范圍1800-900 cm-1內(nèi)觀察到58個表面物種的紅外譜帶。在1027和1195 cm-1處出現(xiàn)的紅外光譜帶可能是由于甲氧基物質(zhì)(CH3O*)和羧基(COOH)的形成。在1650和1387 cm-1處的紅外光譜帶可能對應(yīng)于碳酸鹽或COx。其他紅外光譜帶可能對應(yīng)于碳酸鹽。它們是Pt2/BN-na催化劑上等離子體輔助POM反應(yīng)的中間物質(zhì)，表明水蒸氣共進料增強了表面等離子體POM反應(yīng)。在等離子體關(guān)閉和Ar吹掃之后，對應(yīng)于氣相CH4的3015和1304 cm-1的紅外譜帶消失，同時觀察到3741和3688 cm-1的新譜帶，歸屬于表面上的羥基。這表明Pt2/BN-na催化劑表面上的H2O離解導(dǎo)致產(chǎn)生表面OH基團。不同于物理吸附H2O的3443、3374和3040 cm-1處的其它紅外譜帶可能屬于化學(xué)吸附H2O的氫鍵OH基團。

圖2 預(yù)處理后的Pt2/BN-na催化劑在吸附CH4-O2(黑線)和NTP輔助POM(藍線)和不含水蒸氣加入(紅線)條件下的原位DRIFTS光譜。(c, d) Ar吹掃1 h后相應(yīng)Pt2/BN-na催化劑的原位DRIFTS光譜。所有光譜均采用等離子體點火和反應(yīng)物氣體吸附前的光譜進行背景減除。(等離子體輸入功率為1W，溫度為25°C, Ar流量為50ml /min，氣體流量比為O2: CH4: Ar=1:5:94，水蒸氣加入采用氣泡法)

圖3 DRIFTS電池示意圖(a)和照片(b)

總結(jié)與展望：

超輕BN納米帶氣凝膠限域的高分散PtOx納米粒子(NPs)催化劑(PtOx/BN-na)在低溫下用于氣相CH4-O2中CH4 (POM)的等離子體輔助部分氧化反應(yīng)。水蒸氣和Pt2/BN-na催化劑在等離子體輔助的POM反應(yīng)中的協(xié)同效應(yīng)打破了CH4轉(zhuǎn)化率和含氧化合物選擇性之間的“蹺蹺板效應(yīng)",在CH4轉(zhuǎn)化率為13% 時，不wan quan氧化產(chǎn)物選擇性達到了95%?？偤趸衔锂a(chǎn)率達到了106.5 mmoloxygcat-1·h-1，這是現(xiàn)階段催化劑中，用于氣相和液相POM反應(yīng)的zui hao  效果之一。根據(jù)D同位素標記、原位OES和原位DRIFTS的實驗結(jié)果，認為H2O和O2在PtOx納米粒子上等離子體活化反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性羥基或·OH自由基是提高甲烷選擇性轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。催化劑表面等離子體輔助氧化(CSPO)的反應(yīng)結(jié)果表明，H2O不僅促進化學(xué)吸附的烴類物質(zhì)選擇性氧化成含氧化合物，同時促進含氧化合物從催化劑上解吸。