ChemCatChem：通过五配位Al3+稳定的富含缺陷的CeO2负载的钯催化剂用于高效催化甲烷燃烧

甲烷是一种重要的清洁能源和化工原料，在使用过程中会有少量未被转化的甲烷逃逸出来。环境中低浓度甲烷气体难以二次利用，并且脱除困难，会造成严重的环境污染问题，比如。催化燃烧是消除低浓度甲烷的一种有效方法，其中钯催化剂对甲烷催化燃烧反应具有优异的催化活性，但钯金属价格昂贵，且在实际使用过程中经常面临高湿反应气体以及高温反应条件，导致钯纳米颗烧结失活，降低催化剂性能和寿命。因此开发具有低负载量、高分散性、高活性和水热稳定性的甲烷催化燃烧钯催化剂极具挑战。

针对上述问题，中国科学技术大学李文志教授课题组设计了一种富含表面缺陷(Ce³⁺)的Pd/Al₂O₃-CeO₂钯催化剂。通过对γ-Al₂O₃还原活化使其表面产生配位不饱和的Al³⁺penta位点，然后通过连续浸渍的方法把二氧化铈和钯负载到其表面，经煅烧后得到Pd/RAl₂O₃-CeO₂催化剂。研究发现，这种表面改性策略通过重构载体表面环境，引入配位不饱和的Al³⁺penta位点可以有效地提高催化剂表面Ce³⁺浓度。表面缺陷(Ce³⁺)的增加可以显著降低钯颗粒大小，提高表面钯物种的利用率，同时增强表面活性氧的浓度，对甲烷催化燃烧具有显著的促进作用。在60000 mLg^-1h^-1的空速下，负载量为1 wt%的Pd/RAl₂O₃-CeO₂催化剂能在328 ℃时甲烷转化率达到90%。

图一.催化剂的核磁谱图和(c)H₂-TPR (d)O₂-TPD分析

此外，由于该催化剂表面强烈的金属载体相互作用，在高温（600℃）和有5%水蒸气存在的条件下，仍然能够保持优异的催化活性和稳定性。作者采用原位红外探讨了在该催化剂表面的甲烷氧化反应可能的反应机理，观察到反应过程中在Pd/RAl₂O₃-CeO₂催化剂表面所生成的关键中间产物(碳酸盐和其它碳氧化合物)更容易分解为最终产物CO₂。原因是由于表面缺陷(Ce³⁺)对于钯原子起到锚定分散的作用，可以释放更多的活性位点，促进甲烷催化燃烧性能，同时解释了该催化剂水热稳定性的原因。

本研究为探索稳定高效的负载型钯催化剂用于甲烷燃烧提供了一种方便的策略。

图二.催化剂的原位红外谱图和甲烷催化燃烧反应机理

论文信息：

Penta-coordinated Al³⁺ Stabilized Defect-Rich Ceria on Al₂O₃ Supported Palladium Catalysts for Lean Methane Oxidation

Mingwei Wu, Wenzhi Li*, Xia Zhang, Fengyang Xue, Tao Yang, and Liang Yuan

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202100668

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