近日，美國三院院士/萊斯大學(xué)Naomi J. Halas教授聯(lián)合Peter Nordlander教授等人在Nature Catalysis期刊上發(fā)表了題為“Steam methane reforming using a regenerable antenna–reactor plasmonic photocatalyst”的最新成果。
研究人員通過將等離子體Cu天線與具有催化活性的Rh相結(jié)合，形成Cu-Rh表面合金，AR光催化劑可以為高效、選擇性光催化蒸汽甲烷重整（SMR）提供途徑。光催化SMR主要由等離子體介導(dǎo)的熱載流子驅(qū)動，這降低了表觀能壘并有助于提高催化穩(wěn)定性。如果沒有熱載流子，熱催化會使催化劑因氧化和焦化而失活。熱失活的催化劑可以在光催化中再生，恢復(fù)光照條件下的反應(yīng)性和選擇性。Cu??.?Rh?.?光催化劑顯示出最高的氫氣轉(zhuǎn)化頻率（H? TOF），達(dá)到0.308 s?¹，時空產(chǎn)率達(dá)到 15.6 μmol·cm?³·s?¹，而大型催化過程的基準(zhǔn)值只有1 μmol·cm?³·s?¹。
• 等離子體光催化方法：通過利用金屬納米顆粒中的表面等離子體衰減產(chǎn)生的熱載流子，克服了以往光催化SMR研究中的限制。
• 熱載流子驅(qū)動的反應(yīng)機(jī)理：研究發(fā)現(xiàn)，光催化SMR主要由等離子體介導(dǎo)的熱載流子驅(qū)動，這些熱載流子降低了表觀能量障礙，有助于提高催化穩(wěn)定性。
• 催化劑的再生能力：在熱催化條件下失活的催化劑可以通過共振照射再生，恢復(fù)光催化條件下的反應(yīng)性和選擇性。
• 光催化反應(yīng)的光譜依賴性：通過改變激發(fā)波長研究了產(chǎn)物形成，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)活性和選擇性與激發(fā)波長有關(guān)，表明可以通過光學(xué)控制化學(xué)選擇性。
圖1.光催化甲烷蒸汽重整Steam methane reforming，SMR
圖2.光催化甲烷蒸汽重整SMR的機(jī)理研究
圖3.熱催化失活和光催化再生
圖4.光催化再生機(jī)理的研究
在甲烷重整制氫和費托合成等工藝中，反應(yīng)條件對反應(yīng)結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，其中，光照強(qiáng)度/面積、反應(yīng)溫度/壓力等是影響反應(yīng)性質(zhì)和選擇性的重要因素之一。
為了滿足在反應(yīng)過程中對光照、溫度、流速、壓力的需求，泊菲萊科技推出了PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價裝置。該套裝置以高精度的流量控制方式，保證氣體流速恒定，具有多級溫度管理系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)調(diào)控。（可撥打電話400-1161-365咨詢）
PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價裝置采用石英導(dǎo)光柱和石英反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，在保證光輸入效率的同時，有效地提高催化劑的受光面積，并通過仿真模擬計算固定石英導(dǎo)光柱與催化劑的相對位置，以獲得最大的光照效率 。
創(chuàng)新的環(huán)照式反應(yīng)器還嚴(yán)格將催化劑床層的厚度限制在3 mm，這樣既能保證催化劑的有效光照，增大催化劑的受光面積，提高催化劑對光的利用率，又可以根據(jù)裝填高度計算出催化劑的受光面積以及裝填量，保證實驗的可重復(fù)性。
在光可以被完全吸收的前提下，減少熱能損失是光熱催化中提高光利用效率的關(guān)鍵途徑。
PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價裝置的預(yù)熱-伴熱模塊能夠有效減小催化劑與反應(yīng)體系之間的溫度梯度，以此降低光熱催化反應(yīng)中的熱能損失，同時具備雙熱電偶測溫裝置，可實時監(jiān)測反應(yīng)器外部溫度和反應(yīng)催化劑表面溫度，掌握反應(yīng)過程中的溫度變化動態(tài)。
針對不同反應(yīng)壓力和溫度，裝置有多種規(guī)格可選：
• 高壓版（~10 MPa、~650℃）
• 標(biāo)準(zhǔn)版（~6 MPa、~850℃）
• 高溫版（~1050℃、~3 MPa）
還可接受定制，如有需要可撥打電話400-1161-365咨詢。
蒸汽甲烷重整（SMR）是全球制氫的主要工業(yè)工藝，占全球氫氣產(chǎn)量的一半，但傳統(tǒng)熱處理需高溫且碳強(qiáng)度高。光催化蒸汽甲烷重整（SMR）通過降低活化能，有望避免高溫，但目前應(yīng)用受限于紫外線照射或需額外加熱。而前文中提到的這項研究中，一旦針對Rh負(fù)載和其光反應(yīng)性的波長依賴性進(jìn)行優(yōu)化，Cu-Rh AR光催化劑對于光催化SMR而言具有反應(yīng)性、選擇性和穩(wěn)定性。在熱、暗條件下運行的光催化劑會快速失活，而通過返回光催化SMR可以完全再生。通過跟蹤催化劑在熱失活和光催化再生過程中的詳細(xì)元素演變，觀察到熱載體相關(guān)過程促進(jìn)了C和O中間體的結(jié)合解吸，并有助于氧化光催化劑恢復(fù)到氧化程度較低的狀態(tài)，這與可靠且實用的恢復(fù)光催化活性一致。熱載體驅(qū)動的解吸過程導(dǎo)致光催化劑活性的恢復(fù)，具有極其重要的意義。它可以延長催化劑的壽命，并使失活的催化劑普遍再生。
Steam methane reforming using a regenerable antenna–reactor plasmonic photocatalyst, Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Hossein Robatjazi, Peter Nordlander* and Naomi J. Halas*, Nature Catalysis, 10.1038/s41929-024-01248-8.
