山西大学王长真/赵永祥团队ACS AMI：镍基纳米胶囊反应器在气相催化反应中的微纳扩散效应解析

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当前，Yolk-shell纳米结构材料由于具备独特的“纳米反应器”特性，能够广泛应用于催化、传感器、能量储存转化等领域。为了提高纳米反应器的结构稳定性，通常需要增加Yolk-shell结构的壳层厚度。在高温、高空速、活塞流等催化体系，Yolk-shell结构稳定性的提高能够增加催化剂的抗烧结和抗积碳能力，但是包覆壳层的物理限域阻隔，不可避免的会对反应底物的进出与转化造成严重的扩散效应，目前对该微纳层面的扩散效应研究较少。

鉴于此，山西大学王长真/赵永祥课题组联合牛津大学Tiancun Xiao研究员等在《ACS Applied Materials and Interfaces》期刊上发表了题为“Yolk-shell Nanocapsule Catalysts as Nanoreactor with Various Shell Structures and Their Diffusion Effect on CO₂ Reforming of Methane”的文章。该文章提出一种新型的具有单向延展空间的纳米胶囊结构催化剂，以CH₄-CO₂干重整反应作为考察对象，通过对纳米反应器（NSNC-Tx）不同壳层结构（壳层厚度与孔隙度）的调控与深层构效关系的系统研究，对壳层扩散效应和Yolk-shell纳米反应器的催化性能间的固有联系建立了新的认识。

本文要点

要点1、深度分析纳米胶囊催化剂的结构特征，影响纳米反应器底物扩散的壳层结构包括壳层厚度与壳层孔隙率，壳层孔道包括壳层呼吸孔（model I）与壳层缝隙孔（model II）。

图1. 纳米胶囊催化剂结构分析

要点2、在排除传统颗粒间（pellets）内外扩散后，通过对相同金属位点的NSNC-Tx（x=5,10,15,20）催化剂在不同温度不同空速下进行甲烷干重整催化反应测试后结果表明，当反应温度越低，反应空速越高时，不同壳层结构的纳米反应器的催化活性差异越明显，证实壳层扩散效应对于材料催化性能所存在的固有影响：对于core/yolk-shell结构纳米反应器，反应物气体分子必须通过壳层进入纳米反应器与金属位点接触反应，同时产物气体分子通过壳层离开纳米反应器，因此纳米反应器扩散效应对其本质活性影响显著。

图2. 相同Ni位点含量的NSNC-Tx在不同Ni-GHSVs和反应温度下的CH₄和CO₂转化率和动力学测试

要点3、利用不同模型形式提出了Yolk-shell结构纳米反应器扩散效应的工作原理。其中“gas wall”效应导致纳米反应器的暂时性失活，“hard blocker” 效应导致纳米反应器的永久性失活，

图3. Yolk-shell NSNC-Tx纳米反应器的壳层扩散效应工作原理示意图

要点4、利用仅对胶囊内金属位点明感的探针分子（H₂,CH₄,CO），验证不同壳层结构纳米反应器扩散效应。H₂-TPR还原峰位置的偏移表明壳层结构导致了H₂内扩散速率差异。CH₄-TPD脱附峰位置滞后表明壳层结构使气体分子更难以向外进行快速扩散。原位透射IR表明不同吸附物种达到饱和状态的时间随着壳层结构不同存在明显差异。

图4. a) H₂-TPR, b) CH₄-TPD, c)和d）NSNC-T10和NSNC-T20原位透射红外

Changzhen Wang*, Hao Wu, Xiangyu Jie, Xiaoming Zhang, Yongxiang Zhao, Benzhen Yao, and Tiancun Xiao*, Yolk−Shell Nanocapsule Catalysts as Nanoreactors with Various Shell Structures and Their Diffusion Effect on the CO₂ Reforming of Methane. ACS Appl. Mater. Interfaces

相关链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c06847

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