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馮浩老師課題組

南京理工大學

1、老師簡介

馮浩老師是南京理工大學能動學院教授，主要從事先進能源轉(zhuǎn)化與儲存技術(shù)、多相反應(yīng)流傳熱傳質(zhì)等方面的研究工作。研究成果以第一/通訊作者在Advanced Energy Materials、Science Bulletin、International Journal of Heat and Mass Transfer、Advanced Science等國內(nèi)外高水平學術(shù)期刊上發(fā)表論文三十余篇，多篇論文入選ESI高被引/封面論文；申請和授權(quán)國家發(fā)明專利十余項。主持了國家自然科學基金青年基金、科技部國家重點研發(fā)計劃項目子課題、江蘇省自然科學基金青年基金等多個科研項目。

2、論文研究背景

化石能源消耗導致的能源短缺與碳排放危機亟待解決，而太陽能驅(qū)動CO?與CH?轉(zhuǎn)化為合成氣（CO/H?）是兼具環(huán)保與能源價值的策略。甲烷干重整（MDR）雖能轉(zhuǎn)化溫室氣體，但面臨熱力學壁壘（ΔH = +247 kJ·mol?1）與催化劑失活（鎳基積碳嚴重）等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光催化僅利用部分光譜，效率低下；而光熱催化可全光譜吸光，通過光熱轉(zhuǎn)化驅(qū)動反應(yīng)，但需開發(fā)兼具高效吸光、抗積碳及穩(wěn)定性的催化劑。本研究以MOF為前體，旨在構(gòu)建高效光熱催化劑，實現(xiàn)太陽能儲存與溫室氣體資源化利用的雙重目標。

3、論文亮點/摘要

光熱催化甲烷與二氧化碳重整是一種極具吸引力的工藝，可實現(xiàn)太陽能與溫室氣體的同步轉(zhuǎn)化。然而，由于光熱催化劑的全光譜光吸收能力和催化活性有限，實現(xiàn)高光-燃料效率仍面臨巨大挑戰(zhàn)。在此，我們報道了一種金屬有機框架（MOF）衍生的碳負載鎳單鍵鉬雙金屬催化劑，用于光熱催化甲烷與二氧化碳重整。所提出的光熱催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的全光譜響應(yīng)能力。通過控制光譜范圍和光強度，我們發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)主要為光驅(qū)動熱化學反應(yīng)，因此顯著依賴于高效的光熱轉(zhuǎn)換。此外，原位傅里葉變換紅外光譜表明，在鎳基催化劑上引入相關(guān)鉬物種可促進二氧化碳的分解，進而平衡甲烷和二氧化碳的活化動力學并抑制積碳。結(jié)果表明，在直接光照下，該催化劑實現(xiàn)了卓越的催化性能，二氧化碳轉(zhuǎn)化率達61.2%，先進的CO生成速率為141.7mmol·g?1·min?1，氫碳比為0.88，且光-燃料效率達36.8%，屬于已報道的最高值之一。

本文要點：

（1）雙金屬協(xié)同破局積碳難題

通過MOF前驅(qū)體熱解構(gòu)建Ni-Mo雙活性位點（NiMo合金+Mo?C），其中Mo物種提供晶格氧氧化積碳，使催化劑穩(wěn)定性提升50%（圖4e）。

（2）全光譜吸收+近紅外光熱主導

碳載體與雙金屬協(xié)同實現(xiàn)>90%全光譜吸收（圖3e），實驗證實反應(yīng)由光熱效應(yīng)主導：近紅外光（NIR）催化效率比全光譜高22.6%（圖6c）。

（3）反應(yīng)路徑革命性優(yōu)化

原位紅外（圖5）揭示Mo促進CO?直接解離為*HCOO，規(guī)避碳酸鹽中間體，將甲烷活化與CO?解離速率匹配度提升3倍，從源頭抑制積碳。

（4）創(chuàng)紀錄光能-燃料轉(zhuǎn)化效率

在452.9倍太陽光強度下實現(xiàn)：CO?轉(zhuǎn)化率61.2%、CO產(chǎn)率141.7 mmol·g?1·min?1、光能-燃料效率36.8%（圖4d）。

（5）工業(yè)化應(yīng)用潛力

催化劑在高空速（GHSV） 下保持高活性，MOF衍生策略可規(guī)模化制備，為太陽能燃料工廠提供技術(shù)方案。

4、圖文解析

圖1 ：NixMoy/C-Al?O?催化劑制備示意圖 

圖2：（a）Ni/C-Al?O?、（b）Ni?.??Mo/C-Al?O?、（c）Mo/C-Al?O?催化劑的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（d）催化劑的BET比表面積及孔徑分布。 

圖3 ：（a）Ni?.??Mo/C-Al?O?催化劑的高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像和（b）X射線衍射（XRD）圖譜。（c）Ni?.??Mo/C-Al?O?與Ni/C-Al?O?的Ni?pX射線光電子能譜，（d）Ni?.??Mo/C-Al?O?與Mo/C-Al?O?的Mo 3d X射線光電子能譜。（e）催化劑在200 nm至2500 nm范圍內(nèi)的光譜吸光度。  

圖4 ：催化劑在光驅(qū)動MDR中的性能評價。（a）H?和CO的生成速率。（b）CH?和CO?的反應(yīng)速率。（c）CH?和CO?的轉(zhuǎn)化效率。（d）光-燃料效率及H?/CO比率。（e）反應(yīng)后催化劑在空氣中的熱重（TG）曲線。

圖5 ：Ni/C-Al?O?催化劑在（a）預吸收CO?和（b）預吸收CH?后的原位FT-IR光譜。Ni?.??Mo/C-Al?O?催化劑在（c）預吸收CO?和（d）預吸收CH?后的原位FT-IR光譜。

圖6： (a) Ni1.71Mo/C-Al?O?催化劑的溫度對光強度的依賴關(guān)系。 (b) Ni1.71Mo/C-Al?O?催化劑的光電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)率對光強度的依賴關(guān)系。(c) Ni1.71Mo/C-Al?O?催化劑在不同波長輻射下（7.5 W）的H?生成速率。 (d) Ni1.71Mo/C-Al?O?催化劑在可見光、AM 1.5G和近紅外輻射下的H?和CO生成速率。

· 小結(jié)

通過MOF衍生策略開發(fā)出碳載鎳鉬雙金屬催化劑（Ni?.??Mo/C-Al?O?），在光熱催化甲烷干重整領(lǐng)域取得三重突破：

1、實現(xiàn)36.8%的光能-燃料轉(zhuǎn)化效率和141.7 mmol·g?1·min?1的CO產(chǎn)率，同時通過雙金屬協(xié)同機制（NiMo合金優(yōu)化CH?活化，Mo?C晶格氧清除積碳）將積碳率降低50%；

2、原位紅外證實Mo物種重構(gòu)反應(yīng)路徑——促進CO?直接解離為*HCOO中間體，規(guī)避傳統(tǒng)碳酸鹽路徑的積碳風險；

3、近紅外光熱貢獻超80%（578℃）的熱化學主導機制，使該催化劑在452.9倍太陽光強度下保持高活性，為太陽能驅(qū)動的綠色合成氣工廠提供了工業(yè)化解決方案。

5、本文所用設(shè)備

馮浩老師課題組在實驗中所用定制高溫光催化立式爐由科冪儀器提供，論文中也特別提到安徽科冪儀器有限公司，在此非常感謝老師對科冪儀器的選擇和認可。

科冪儀器

安徽科冪儀器有限公司（Anhui Kemi Instrument Co.,LTD.）成立于2014年，總部設(shè)在安徽省合肥市，擁有近萬平方米的研發(fā)制造基地。公司持有A2級中國特種設(shè)備(壓力容器制造)生產(chǎn)資格許可證，是一家專注于科研儀器和中小試設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化合成反應(yīng)裝備研發(fā)、制造的國家高新技術(shù)企業(yè)。

科冪儀器依托中國科學技術(shù)大學等雄厚的科研力量，研制了多款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合成反應(yīng)儀器、設(shè)備。技術(shù)驅(qū)動、方案營銷，專注于非標方案的設(shè)計和多維立體化服務(wù)。產(chǎn)品已成功進駐國內(nèi)所有985、211高校實驗室及新材料、新能源、生物醫(yī)藥、石油化工等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)，并遠銷歐美、澳洲、中東等地，覆蓋國內(nèi)外科研及企業(yè)客戶20000余家，助推研發(fā)應(yīng)用4000余項，助力用戶發(fā)表SCI（一區(qū)）論文1000余篇。      

作為央視《中國品牌故事》入選企業(yè)、安徽省專精特新企業(yè)、合肥市工業(yè)設(shè)計中心，科冪儀器秉承“嚴謹專業(yè)·創(chuàng)新高效·精益求精·創(chuàng)造價值”的科冪精神，致力于用專業(yè)和品質(zhì)加速科研及產(chǎn)業(yè)化，為科研工作者加速取得科研成果提供更加“安全·便捷·精確·高效”的儀器設(shè)備。

公司主營科研儀器設(shè)備和中小試及產(chǎn)業(yè)化合成反應(yīng)裝備。如：水熱釜、快開式高壓反應(yīng)釜、高溫爐式設(shè)備（熱解爐/CVD爐/回轉(zhuǎn)爐/真空爐/熱重爐等）、固定床、催化劑評價裝置、光催化反應(yīng)裝置、LED單波長光源、非標定制設(shè)備等。