我室发展高温电-热耦合催化甲烷超干重整新过程

近日，我室纳米与界面催化研究中心(502组群)与计算和数据驱动催化研究组(511组) 以日立公司曾超斌工程师合作，发展了高温电-热耦合催化甲烷超干重整(CO₂/CH₄≥2)直接制备合成气新过程。该工作为富碳天然气和工业尾气等碳资源直接高效利用提供了新思路。

固体氧化物电解器(SOEC)在600~850℃将CO₂和H₂O催化转化为CO和H₂，具有反应速率快、能量效率高、成本低等优点，是一种高效的高温电化学装置，可通过模块化设计实现工业规模应用，在CO₂转化、电解水制氢和可再生电能存储方面展现出广阔的应用潜力。

考虑到SOEC运行温度与甲烷干重整(DRM)反应温度匹配，在本研究中，团队发展了SOEC电-热耦合催化甲烷超干重整反应新过程：将DRM、逆水气变换(RWGS)和H2O电解反应串联耦合到SOEC阴极，电化学原位还原中间产物H₂O生成H₂和O^2-，O^2-在电势差的驱动下通过致密电解质膜在阳极电化学氧化为O₂，进而拉动RWGS反应正向进行，突破热力学平衡限制，大幅提升了CO₂转化率和H₂选择性。团队在CeO_2-x载体表面原位溶出稳定的Rh纳米颗粒，提供了高密度Ce³⁺-VO-Rh^δ+界面活性位点，在CO₂/CH₄体积比为4时，电-热耦合催化实现了94.5%的CH₄转化率和95.0%的CO₂转化率，CO和H₂产物的选择性接近100%，CH₄的表观还原能力接近4.0，达到理论值。进一步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Rh^δ+为甲烷裂解的活性位，富含氧空位的Ce³⁺-VO-Rh^δ+界面为CO₂吸附活化以及RWGS反应的活性位，同时该界面电催化还原H2O生成H2，进而促进了CO₂转化和提高了H₂选择性。

相关研究成果以“Super-dry reforming of methane using a tandem electro-thermocatalytic system” 为题发表在《自然-化学》(Nature Chemistry)上。该工作的第一作者是502组群吕厚甫博士、李荣坦博士和511组董雪博士。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及辽宁滨海实验室等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41557-025-01768-1