橡树岭国度现实室（ORNL）的不时东说念主员发明了一种耐用的沸石催化剂女王 调教，不错将甲烷和二氧化碳篡改为合成气，在高温下不会降解。这一立异可能会透顶改变可抓续的化学坐褥和工业催化。

约略将两种无益温室气体篡改为清洁燃料和原料的有价值因素的化学响应面对着挑战：响应所需的高温会使催化剂失活。ORNL的不时东说念主员诱导了一种退缩这种失活的措置有狡计。这种轨范也不错对其他催化剂有更平庸的期骗。

该团队矫正了一种称为甲烷干重整的响应，将甲烷和二氧化碳篡改为合成气，这是寰宇各地的石油和化学公司使用的一种有价值的氢和一氧化碳搀杂物。该团队还是为他们的发明请求了专利，以减少催化失活。

ORNL的Felipe Polo Garzon说：“合成气很紧迫，因为它是坐褥无数大鸿沟消费化学品的平台。”他与ORNL的张俊燕（音译）一说念调换了发表在《当然通信》上的这项不时。

矫正加快合成气坐褥的催化剂可能会对大家能源安全、清洁燃料和化学原料产生众多影响。在零落石油储量的国度，来自煤炭或自然气的合成气关于制造柴油和汽油燃料至关紧迫。此外，合成气因素可用于制造其他商品化学品。举例，氢气不错用作清洁燃料，也不错用作氨的原料来制造肥料。甲醇是一种不错由合成气制成的乙醇，是坐褥塑料、合成织物和药品的原料开端。甲醇亦然氢气的精好意思载体，氢气难以加压，输送危急。行为最浅易的醇，甲醇的氢碳比最高；它不错安全输送并在场所地篡改为氢气。

“这种[甲烷干重整]响应听起来很有引诱力，因为你将两种温室气体篡改为有价值的搀杂物，”Polo Garzon说。“相干词，几十年来的问题是，在响应条款下，进行这种响应所需的催化剂很快就会失活，这使得这种响应在工业鸿沟上不行行。”

高温催化的挑战

为了已矣响应物的权贵篡改女王 调教，响应必须在高于650摄氏度或1200华氏度的温度下进行。“在这种高温下，催化剂履历了两个失活流程，”Polo-Garzon说。“一种是烧结，在这种情况下，王老撸你会失去进行响应的名义位置。另一个是焦炭的酿成 —— 基本上是固体碳，它缺乏催化剂与响应物战役。”

催化剂的作用是为响应提供较大的名义积。像镍这么的金属原子具有电子特色，使它们约略暂时集结响应物，使化学键更容易断裂和酿成。烧结导致镍颗粒结块，减少了化学响应可用的名义积。

相通，焦化会使催化剂窒息。张俊燕说：“在催化剂名义的响应流程中，甲烷会一个接一个地失去氢原子，直到只剩下一个碳原子。若是莫得氧与之集结，剩余的碳将采集在催化剂的镍名义，隐敝其活性面。这种焦化千里积导致失活。它在碳氢化合物篡改的热催化中非时常见。”

今天，大多数交易合成气是由甲烷的蒸汽重整坐褥的，这一流程需要无数的水和热量，还会产生二氧化碳。比较之下，甲烷的干式重整不需要水，骨子上败坏的是二氧化碳和甲烷。

通过调动催化剂合成流程中金属活性位点与载体之间的相互作用，科学家们扼制了焦炭的酿成和金属烧结。这种新式催化剂具有优异的干重整性能，失活速率极慢。

这种新式催化剂由一种叫作念沸石的晶体材料构成，其中含有硅、铝、氧和镍。沸石的援救框架结识了金属活性位点。

“沸石在因素上就像沙子，”张俊燕说。但与沙子不同的是，它有一个海绵状的结构，内部充满了轻微的孔，每个孔的直径约为0.6纳米。若是你能绝对翻开沸石以显现其名义面积，1克样本将包含苟简500平素米的面积，这是一个众多的显现名义。”

为了合成沸石催化剂，不时东说念主员去除一些铝原子并用镍代替它们。Polo-Garzon说：“咱们有用地在镍和沸石宿主之间建造了得当的纽带。”“这种得当的集结使咱们的催化剂在高温下不易降解。”

这种高性能催化剂是在ORNL的纳米材料科学中心合成的。ORNL名义化学与催化小组组长吴子立（音译）担任该形状标策略照顾人。

张俊燕进行了红外光谱分析，发现镍时常被沸石骨架中的两个硅原子休止和集结。

在好意思国能源部的布鲁克海文国度现实室和SLAC国度加快器现实室，ORNL的李媛媛（音译）调换了x射线接纳光谱不时，详备刻画了催化剂中镍的电子和键合结构。在ORNL， Polo-Garzon和张俊燕使用了一种称为稳态同位素瞬态能源学分析的技艺来测量催化剂效果 —— 单个活性位点将响应物篡改为产物的次数。

x射线衍射和扫描透射电子显微镜在纳米模范上表征了材料的结构和构成。

平庸的期骗和明天的不时

“在合成轨范中，咱们发现该轨范有用的原因是因为咱们约略解脱水，这是催化剂合成的副居品，”Polo-Garzon说。“咱们要求共事使用密度泛函表面来不时为什么水对镍的结识性很紧迫。”

范德比尔特大学（Vanderbilt University）的宋浩宏（音译）和蒋德恩（音译）进行了计较，终端标明，从沸石中撤退水不错增强沸石与镍的相互作用。

接下来，不时东说念主员将诱导其他催化剂配方，用于甲烷响应的干重整，在平庸的条款下王人是结识的。“咱们正在寻找激勉响应物分子的替代轨范，以松懈热力学适度，”Polo-Garzon说。

“咱们依靠合理的遐想，而不是反复查考，来制造更好的催化剂，”Polo-Garzon补充说念。“咱们不仅仅在诱导一种催化剂。咱们正在诱导遐想原则，以结识催化剂的平庸的工业流程。它需要对合成左券的含义有一个基本的承接。关于行业来说，这很紧迫，因为咱们提供了一条前进的说念路，而不是让你尝试一些东西，望望它的阐扬若何，然后决定从那边启动。”

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