海域氣田開采的天然氣中二氧化碳含量普遍較高，必須二氧化碳脫除處理才能進(jìn)一步輸送和使用。而二氧化碳分離過程增加了能源消耗，引起了天然氣的夾帶損失，增加了富碳天然氣資源開采和使用成本。因此，亟需發(fā)展富碳天然氣直接利用的新技術(shù)。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研人員開發(fā)出電-熱耦合催化新過程，實(shí)現(xiàn)了甲烷超干重整直接制備合成氣。
考慮到固體氧化物電解器運(yùn)行溫度與甲烷干重整反應(yīng)溫度匹配，研究基于固體氧化物電解器，開發(fā)了電-熱耦合催化的甲烷超干重整新過程，將甲烷干重整、逆水氣變換、水電解反應(yīng)串聯(lián)耦合到固體氧化物電解器陰極，使電化學(xué)原位還原中間產(chǎn)物水生成氫氣和氧離子，氧離子在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下通過致密電解質(zhì)膜在固體氧化物電解器陽極電化學(xué)氧化為氧氣，進(jìn)而拉動(dòng)逆水氣變換反應(yīng)正向進(jìn)行，突破熱力學(xué)平衡限制，提升了二氧化碳轉(zhuǎn)化率和氫氣選擇性。研究在CeO2-x載體表面原位溶出穩(wěn)定的銠（Rh）納米顆粒，提供了高密度Ce3+-VO-Rhδ+界面活性位點(diǎn)。當(dāng)二氧化碳和甲烷體積比為4時(shí)，電-熱耦合催化實(shí)現(xiàn)了94.5%甲烷轉(zhuǎn)化率與95.0%二氧化碳轉(zhuǎn)化率，一氧化碳和氫氣產(chǎn)物的選擇性接近100%，甲烷的表觀還原能力接近4.0并達(dá)到理論值。
進(jìn)一步，研究利用高溫氣氛電子顯微鏡和高溫電化學(xué)原位譜學(xué)表征并結(jié)合理論計(jì)算，揭示了Rhδ+為甲烷裂解的活性位，富含氧空位的Ce3+-VO-Rhδ+界面可實(shí)現(xiàn)二氧化碳吸附活化，以及為逆水氣變換反應(yīng)提供活性位。同時(shí)，該界面電催化還原水生成的氫氣，可進(jìn)一步促進(jìn)二氧化碳轉(zhuǎn)化。
近期，相關(guān)研究成果以Super-dry reforming of methane using a tandem electro-thermocatalytic system為題，發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接
研究人員開發(fā)出電-熱耦合催化新過程實(shí)現(xiàn)甲烷超干重整
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