《AFM》：层状双氢氧化物衍生的 NiFe 纳米合金！

现代社会严重依赖化石燃料能源，导致大气中温室气体浓度很高。减少温室气体排放(特别是二氧化碳和甲烷)的技术发现目前是世界范围内密集研究的焦点。虽然二氧化碳是主要的人为温室气体，但由于甲烷的丰度较低，它经常被忽视。然而，大量甲烷集中在北极永久冻土中，如果通过全球变暖释放出来，将产生毁灭性的影响，因为甲烷的温室气体加热效应是二氧化碳的20倍，因为它具有优越的光吸收能力。这促使人们研究人工捕获二氧化碳和甲烷，并将其转化为有用的化学物质。然而，热催化中苛刻的反应条件阻碍了实际应用。

来自中国科学院物理化学技术研究所的学者以NiFeAl层状双氢氧化物为前驱体，合成了一系列氧化铝负载的NixFeY纳米合金，并将其用于光热协同DRM。在350℃的光热条件下，Ni3Fe1纳米合金催化剂的合成气产率为0.96 molg-1h-1，约为相同温度下暗条件下合成气产率的1100倍。Ni3Fe1纳米合金在紫外区的局域表面等离子体共振大大增强了作为DRM反应速率决定步骤的甲烷活化，从而显著降低了反应温度。同时，基于纳米合金的光热协同DRM具有太阳光驱动的可行性和20h的连续运行稳定性。相关文章以“NiFe Nanoalloys Derived from Layered Double Hydroxides for Photothermal Synergistic Reforming of CH4 with CO2”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202204056

图1.Ni3Fe1催化剂的形态表征。a)透射电子显微镜图像。b)HRTEM图像。c)HAADF-STEM图像。d)Ni、Fe、Al和O的叠加EDX元素图和单独的EDX图。

图 2.催化剂的配位环境分析。a） Ni K-edge XANES 和b） NixFeY 催化剂、Ni3Fe1 Al-LDH 前驱体和NiFe2O4 对照样品的 EXAFS 光谱.c） 铁 K-edge XANES 和d） NixFeY 催化剂、Ni3Fe1Al-LDH 前驱体和 NiFe2O4对照样品的 EXAFS 光谱.

图 3.光驱动的 DRM 性能。a） Ni3Fe1催化剂和 Ni3Fe1Al-LDH 的紫外-可见-近红外吸收光谱.b）Ni3Fe1 催化剂、CaO 底物和Ni3Fe1Al-LDH 在紫外-可见光照射下的温度分布。光强度 = 3.62 W cm–2。c） Ni3Fe1Al-LDH前驱体和NixFeY催化剂光驱动DRM反应的反应装置图及CO和H2的产率。d） Ni3Fe1 催化剂在氙气灯和相同温度 （350 ℃） 下集中太阳能的 CO 和 H2 产率.图中显示了太阳光聚光系统的图片。e） Ni3Fe1在紫外光照射（0.18 MPa，75 mL min–1，CH4/CO2/Ar = 25/25/50）下的稳定性测试。

图 4.光热协同效应研究.a） 在黑暗和光明条件下，Ni3Fe1 在不同温度下的 CO 和 H2 产量。b） Ni3Fe1在明暗条件下的反应活化能。c） Ni3Fe1在300℃和不同光强下对DRM的催化性能。d） Ni3Fe1在400 ℃和不同光强下对DRM的催化性能。

图 5.模拟电液相增强的空间分布。Ni3Fe1 在 a） 230 nm 波长、b） 330 nm波长、c） 430 nm 波长和 d） 530 nm 波长。

图 6.光驱动的DRM机制。a） Ni3Fe1上光驱动DRM反应的原位漂移光谱。以4 cm–1的分辨率和1分钟的时间间隔收集光谱。光谱分为上部，中部和下部，分别对应于黑暗中的室温，黑暗中的300℃和300℃的紫外线照射。颜色的深度表示从蓝色（弱）到红色（强）的特征峰的强度。b）Ni3Fe1纳米合金上光驱动DRM反应的示意图。

采用NiFeAl-LDH前驱体氢还原法制备的新型氧化铝负载Ni3Fe1纳米合金催化剂在光热协同DRM反应中表现出优异的性能.结合有限元模拟和原位红外光谱确定， Ni3Fe1纳米合金催化剂的光驱动DRM性能显著， 这是由于在紫外辐射下的LSPR效应（热电子注入CH4的抗粘附轨道， 从而强烈激活甲烷与CO2反应） 和可见光照射下的光热加热效应。这种协同效应大大降低了DRM的表观活化能，实现了0.96 mol g–1 h–1的合成气产率，具有阳光驱动的可行性和长期耐久性，并允许反应在低温（低至100°C）下进行。这项研究证明了一种将甲烷和二氧化碳转化为增值化学品的可持续方法。（文：SSC）

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