華東理工大學教授王靈芝團隊構筑了亞2納米釕（Ru）團簇錨定于多壁碳納米管（MWCNTs）的非氧化物光熱催化平臺Ru/MWCNTs，實現了甲烷干重整反應的高效、耐久光熱轉化，為提升光熱甲烷干重整反應的活性與穩定性提供了新的機制認識，也為設計不依賴載氧體晶格氧、通過金屬–碳界面調控光激發熱電子和氧循環過程的新型光熱催化劑提供了重要思路。相關研究成果近日發表于《德國應用化學》。
甲烷干重整反應可同時轉化甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）兩種主要溫室氣體，并將其轉化成合成氣，是實現碳資源高值化利用的重要途徑。然而，傳統甲烷干重整通常需要750至1000°C的高溫驅動，容易引發金屬燒結、積碳失活和高能耗等問題。光熱催化為溫和條件下驅動甲烷干重整提供了新思路，而如何構筑不依賴氧化物載體晶格氧、兼具電子結構可調性和結構穩定性的光熱催化平臺，仍是該領域面臨的關鍵挑戰。
在研究團隊構筑的Ru/MWCNTs體系中，MWCNTs提供寬譜光吸收和光熱轉換能力，Ru–C的π–d 界面耦合使界面電子離域化并穩定金屬態Ru，從而促進光激發熱電子的界面利用。該界面能夠選擇性活化CO2生成高度活潑的Ru–O*物種，并在不依賴氧化物載體晶格氧的情況下維持快速可逆的Ru0/Ru–O氧循環。該氧循環可引導CH4衍生中間體沿氧輔助CH3O*路徑轉化，促進C–O鍵形成并抑制深度脫氫和碳沉積。
測試結果顯示，在4.87W cm-2光照、CH4/CO2=50/50條件下，Ru/MWCNTs 的表面溫度可達到約597°C，一氧化碳（CO）和氫氣（H2）生成速率分別達到632 和526 mol gRu?1 h?1，光-燃料轉化效率達25.4%，并可穩定運行120小時。同時，該催化劑在CH4/CO2進料比0.43–2.33 的寬窗口內保持穩定活性，展現出優異的耐久性和工況適應性。系列分析和理論計算證明，Ru–C界面耦合而非單純金屬態Ru是光熱增強效應的關鍵來源。
基于Ru/MWCNTs的不依賴載氧體晶格氧的光熱甲烷干重整機制。研究團隊供圖
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.3158178