Фото: ScienceDaily
Ученые выяснили, что в реакции частичного окисления метана ключевую роль могут играть не металлические наночастицы никеля, а особая структура, формирующаяся непосредственно во время процесса. Получаемый в результате синтез-газ используют для производства топлива и химической продукции. Ранее считалось, что основными активными центрами реакции являются частицы металлического никеля.
Исследование провели специалисты Даляньского института химической физики Китайской академии наук совместно с коллегами из Сианьского университета Цзяотун и Кардиффского университета. Для эксперимента они создали катализатор на основе оксида алюминия с содержанием никеля всего 0,8%. Несмотря на небольшое количество металла, он обеспечил конверсию метана на уровне 92%, а селективность по угарному газу и водороду достигла 87%.
После реакции в составе катализатора почти не обнаружили металлического никеля. При этом его эффективность оказалась сопоставима с показателями материала, содержащего 8% никеля, хотя металла в новом образце было в десять раз меньше. Другой катализатор с такой же концентрацией никеля, изготовленный методом пропитки, при аналогичных условиях не обеспечил протекание нужной реакции и вызывал преимущественно сгорание метана.
Наблюдения показали, что исходные наночастицы металлического никеля быстро переходят в оксид никеля. Однако сам по себе чистый оксид никеля также не проявлял активности в частичном окислении метана и способствовал только его полному окислению. Во время реакции на поверхности NiO(100) возникала реконструированная структурная единица [Ni1O4Ni4].
Расчеты методом теории функционала плотности показали, что эта структура облегчает разрыв связей углерода и водорода в молекуле метана. Энергетический барьер для процесса составил 12,5 ккал/моль, тогда как для исходной поверхности NiO(100) он достигал 38,5 ккал/моль, а для металлического никеля — 15,7 ккал/моль.
Таким образом, активность катализатора связана не просто с металлическим никелем или обычным оксидом никеля, а с динамической атомной структурой, которая появляется в ходе реакции. По словам профессора Лю, результаты подчеркивают важность изучения катализаторов непосредственно в рабочих условиях и могут помочь создавать эффективные материалы с меньшим содержанием металла.