镍基中空纤维催化剂实现甲烷高效电催化转化

郭志凯 陈为 宋艳芳 董笑 李桂花 魏伟 孙予罕

引用本文: 郭志凯,  陈为,  宋艳芳,  董笑,  李桂花,  魏伟,  孙予罕. 镍基中空纤维催化剂实现甲烷高效电催化转化[J]. 催化学报, 2020, 41(7): 1067-1072. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63548-3 shu
Citation:  Zhikai Guo,  Wei Chen,  Yanfang Song,  Xiao Dong,  Guihua Li,  Wei Wei,  Yuhan Sun. Efficient methane electrocatalytic conversion over a Ni-based hollow fiber electrode[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(7): 1067-1072. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63548-3 shu

镍基中空纤维催化剂实现甲烷高效电催化转化

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91745114,21802160);国家重点研发计划(2016YFA0202800,2018YFB0604700);上海市青年科技英才扬帆计划(18YF1425700);中国科学院上海高等研究院创新基金(Y756812ZZ1(172002),Y756803ZZ1(171003));上海市低碳技术创新功能型平台.

摘要: 随着天然气以及页岩气为代表的非常规天然气的大规模开采,甲烷作为化工原料的直接转化利用受到了越来越多的关注.然而,甲烷分子具有极其稳定的正四面体结构,其物理化学性质非常稳定,如具有高达439 kJ/mol的C–H键能、极弱的电子亲和力、相当大的离子化能量和低的极化率,这都使得甲烷分子C–H键的活化相当困难.如何实现甲烷直接高效催化转化被誉为催化领域的“皇冠式”课题.与经甲烷重整制合成气,然后通过F-T合成获取化学品的间接转化法相比,甲烷直接转化无论在物料、能量转换效率还是在设备成本、环境保护等方面都有着非常明显的优势.以甲烷氧化偶联以及非氧化偶联(如无氧芳构化等)为典型代表的甲烷直接转化研究不断取得突破,但其各自都存在一定的局限性.
相比于热催化转化路径,电催化转化路径在许多方面存在着十分明显的优势:(1)反应条件温和,甚至在常温常压条件下也能实现甲烷电催化转化反应的发生;(2)可调控程度高,仅需调节关键实验参数如电压和电流等,就能实现对反应过程热力学以及动力学的调控;(3)能够利用可再生电能驱动甲烷转化反应的发生,可将低品阶的电能转化并存储为化学能.
本文采用Ni中空纤维作为基底,在其表面构筑NiO活性层,将NiO@Ni中空纤维作为电极,实现了常温常压条件下的甲烷电催化转化.通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征手段,确定了中空纤维特有的多孔三维结构、气体传输规律、NiO活性层分布状态等物化性质.通过电化学交流阻抗与循环伏安等测试手段,获得了电荷传递、电化学活性比表面积等电化学性质.恒电压电氧化甲烷研究发现,1% NiO@Ni中空纤维具有最优的催化活性,分别在1.44 V与1.46 V (vs.RHE)电势下获得54%的甲醇法拉第效率和85%的乙醇法拉第效率.

English

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  • 收稿日期:  2019-09-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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