化学工程与技术学院笃行催化与功能涂层团队在中低温甲烷活化催化材料设计方面取得新研究进展

天然气是一种清洁的化石能源，其主要的应用形式为直接燃烧供能。然而，天然气的不完全燃烧会排放低浓度的温室气体甲烷废气，直接排放会造成严重的环境污染和资源浪费。采用催化氧化技术将高浓度具有回收利用价值的甲烷废气转换成甲醇等化学品，而将低浓度甲烷废气催化燃烧成CO2和H2O是有效的处理方式。甲烷的稳定性和其氧化过程的强放热的特点要求催化剂需同时具备优异的低温氧化能力和良好的操作稳定性。尽管钯基催化剂在甲烷催化氧化领域得到了大量的研究，但仍存在贵金属利用率低、低温活性差、稳定性不足等技术难题。在2017年，俄亥俄州立大学Jason F. Weaver教授课题组从理论上预测了氧化铱具有较好的低温甲烷活化性能（Science, 2017, 356: 299-303），有望在甲烷活化相关技术上得到应用。然而，由于氧化铱的实际催化性能与其难以调控的分散性和化学态紧密相关，难于在实际操作条件下获得预期效果。

针对以上技术难题，中山大学化学工程与技术学院笃行催化与功能涂层团队（负责人：芮泽宝教授）提出了通过构筑具有促进Ir等贵金属活性位点分散、调控其化学态和协同其催化作用的界面功能层，构筑高效Ir基甲烷催化氧化催化材料的研究思路。与校内外相关科研团队合作，前期已设计了协同活化CH4选择性氧化制甲醇/乙醇的铜铱复合氧化物催化剂，将界面Cu-O-Ir的温和氧化性能与氧化铱高效活化C-H键功能相耦合，在温和反应条件（≤150 oC, O2/H2O氧化剂），甲醇收率达到~1937 μmol/gcat, 高于同期文献报道结果（ACS Energy Lett., 2019, 4: 2945-2951）。后续又通过在体系中引入电子助剂(Ru4+, Ni2+, Co2+/3+ 或 Zn2+)，进一步调控Cu-O-Ir界面功能层强化效果，提升甲醇产率和甲醇/乙醇产物的选择性（J. Mater. Chem. A, 2020, 8: 24024; J. Mater. Chem. A, 2021, 9: 7094）。

近期，研究团队提出了一种自上而下再分散和原位氧化相结合的策略，通过高温H2还原诱导再分散以及在温和的氧化气氛下原位再氧化处理Ir/TiO2，形成具有适当化学状态且超细和稳定分散的IrO2/Ir活性位点的催化剂Ir/TiO2-HO。进一步研究表明，Ir/TiO2-HO催化剂上金属-载体间强相互作用（SMSI）界面功能层诱导了催化剂的再分散过程。该催化剂在低至320 °C的温度下表现出(>)99%的CH4转化率、高空速反应性和出色的催化耐久性，优于相近测试条件下的主流Pd基及其它贵金属催化剂的相关文献报道结果。这种SMSI界面作用辅助的活性位点再分散策略，有望用于高效Ir基等贵金属负载型催化剂的构筑，在环境和能源催化中进行推广应用。

该研究成果近期发表在环境催化领域知名期刊Applied catalysis B: environmental上，论文题目为“Strong metal-support interaction assisted redispersion strategy for obtaining ultrafine and stable IrO2/Ir active sites with exceptional methane oxidation activity”。 笃行催化与功能涂层团队20级博士生陈俊妃为论文的第一作者，芮泽宝教授为通讯作者。基于所开发的铱基系列催化材料在甲烷部分氧化制醇等高附加值化学品和甲烷催化燃烧相关领域所展现出来的优异性质和较好的应用前景，研究团队已申请多项发明专利（CN111763136A; CN111686723A; CN110639547A; CN 110075831A ; CN 110038591A）。该工作得到了国家自然科学基金（21576298、21776322）和广东省重点领域研发项目（2020B1111360004）的资助。