近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究中心、计算和数据驱动催化研究组等合作，开发了电-热耦合催化新过程，实现甲烷超干重整直接制备合成气。相关成果发表在《自然-化学》。
我国海域范围内拥有丰富的油气资源，然而海域气田开采的天然气中二氧化碳含量普遍较高（20%至80%，通常被称为“富碳天然气”），必须进行二氧化碳脱除处理才能进一步输送和使用。然而，二氧化碳分离过程增加了能源消耗，同时引起天然气的夹带损失，增加了富碳天然气资源开采和使用成本。因此，亟需发展富碳天然气直接利用的新技术，支撑我国海洋油气产业高质量发展。
考虑到固体氧化物电解器（SOEC）运行温度与甲烷干重整（DRM）反应温度匹配，在本研究中，团队基于SOEC，开发了电-热耦合催化的甲烷超干重整新过程，将DRM、逆水气变换、水电解反应串联耦合到SOEC阴极，电化学原位还原中间产物水生成氢气和氧离子，氧离子在电势差的驱动下通过致密电解质膜在SOEC阳极电化学氧化为氧气，进而拉动逆水气变换反应正向进行，突破热力学平衡限制，大幅提升了二氧化碳转化率和氢气选择性。随后，团队在CeO2-x载体表面，原位溶出稳定的铑（Rh）纳米颗粒，提供了高密度Ce3+-VO-Rhδ+界面活性位点，当二氧化碳和甲烷体积比为4时，电-热耦合催化实现了94.5%甲烷转化率与95.0%二氧化碳转化率，一氧化碳和氢气产物的选择性接近100%，甲烷的表观还原能力接近4.0，达到理论值。进一步，团队利用高温气氛电子显微镜和高温电化学原位谱学表征并结合理论计算，揭示了Rhδ+为甲烷裂解的活性位，富含氧空位的Ce3+-VO-Rhδ+界面可实现二氧化碳吸附活化，以及为逆水气变换反应提供活性位。
该界面电催化还原水生成的氢气，可进一步促进二氧化碳转化。
相关论文信息：10.1038/s41557-025-01768-1
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