効率的なメタン部分酸化を実現する再構成活性構造を発見(Researchers Uncover Reconstructed Active Motifs for Efficient Methane Partial Oxidation)

2026-09-08 中国科学院(CAS)

メタン部分酸化(POM)による合成ガス製造では、従来、金属Niナノ粒子が活性中心と考えられてきた。しかし、中国科学院大連化学物理研究所(DICP)などの研究チームは、反応中にNiが動的に酸化・再構成され、NiO表面に生成する原子レベルの構造が真の活性中心であることを明らかにした。0.8 wt% Ni/Al₂O₃触媒は、メタン転化率92%、CO・H₂選択率87%、H₂/CO比約2.0を示した。反応中には金属Niが急速にNiOへ酸化され、NiO(100)表面に[Ni₁O₄Ni₄]構造がその場形成されることを確認。DFT計算ではメタンのC–H結合切断障壁が12.5 kcal/molと、未再構成NiO(38.5)や金属Ni(15.7)より低かった。反応条件下での触媒構造の動的変化を捉えることが、高効率・低Ni負荷触媒の設計に重要と示された。

効率的なメタン部分酸化を実現する再構成活性構造を発見(Researchers Uncover Reconstructed Active Motifs for Efficient Methane Partial Oxidation)
The model and image of the in situ formed [Ni1O4Ni4] active structure. (Image by TAN Yuanlong and LIU Xiaoyan)

<関連情報>

メタンの部分酸化による合成ガス生成過程におけるNi / Al₂O₃上での活性モチーフのその場生成 In situ generation of active motifs on Ni/Al2O3 during partial oxidation of methane to syngas

Yuanlong Tan,Qiao Zhao,Chen Liang,Chaobin Zeng,Hongwen Guo,Fengyuan Liu,Guang Xian Pei,James Hayward,Jingyuan Ma,Han Zhao,Xiao Yan Liu,Wei Liu,Tao Yang,Aiqin Wang,Graham J. Hutchings & Tao Zhang
Nature Catalysis  Published:14 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41929-026-01580-1

Abstract

The active phase for the partial oxidation of methane (POM) to syngas on Ni catalysts has been attributed to metallic nanoparticles, with high Ni loadings (~10 wt%) considered essential. Here we show, on NiO surfaces, that in situ-generated [Ni1O1Ni4] motifs, where one Ni atom sits on an oxygen atom that bridges four surrounding Ni atoms, drive POM with promising efficiency. A Ni/Al2O3-ME catalyst with Ni loading of 0.8 wt% fabricated via deposition of preformed Ni nanoparticles onto Al2O3 achieves 92.0% CH4 conversion and 87.0% CO/H2 selectivity at 650 °C for POM, maintaining a stable H2/CO ratio of 2.0. Operando spectroscopy and environmental microscopy confirm the oxidation of metallic Ni to NiO during POM. The results of operando high-resolution annular bright-field imaging, combined with density functional theory calculations, suggest that the [Ni1O1Ni4] structure formed on the NiO(100) surface reduces the C–H activation barrier to 12.5 kcal mol−1. Thus, metallic Ni nanoparticles with high metal loadings may not be strictly required for efficient POM.

0500化学一般
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました