NiO基催化剂促进N2 O催化活化实现乙烷氧化脱氢制乙烯的高效转化

　　推荐：研究人员针对N2 O温室气体利用与乙烷高效转化乙烯(ODH)的难题，系统研究了掺杂NiO催化剂的N2 O辅助ODH反应。通过电化学阻抗谱(EIS)和莫特-肖特基(Mott-Schottky)分析，发现Nb5+ 掺杂可显著提升乙烯选择性至72%，且催化剂在高温无N2 O条件下仍保持Ni2+ 稳定态。该研究为温室气体资源化利用提供了新策略。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，氧化亚氮(N₂
O)作为温室效应强度达CO₂
300倍的温室气体，其排放控制迫在眉睫。与此同时，乙烯作为重要化工原料的传统生产工艺能耗高、污染重。如何实现N₂
O资源化利用与低碳烯烃生产的协同突破，成为催化领域的重要课题。

现有研究面临两大瓶颈：一是乙烷氧化脱氢(ODH)反应中乙烯收率普遍偏低；二是以N₂
O替代O₂
作为氧化剂时催化活性显著下降。针对这些挑战，国内某研究机构团队在《Journal of Catalysis》发表研究，系统考察了Bi³⁺
、Fe³⁺
、Nb⁵⁺
等掺杂的NiO基催化剂在N₂
O-ODH反应中的表现。研究发现Nb掺杂NiO催化剂在400°C反应条件下可实现55%乙烷转化率和72%乙烯选择性，且能稳定运行24小时以上，Ni²⁺
物种在高温无N₂
O条件下仍保持稳定。

研究采用蒸发沉淀法制备系列掺杂催化剂，通过BET比表面积测试、X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR-H₂
)和X射线光电子能谱(XPS)进行表征。关键实验技术包括：电化学阻抗谱(EIS)分析界面电荷转移过程，莫特-肖特基测试测定半导体特性，以及原位红外光谱(IR-CO)探针分子吸附实验。催化性能评价在固定床反应器中进行，采用气相色谱分析产物分布。

【3.1 催化剂的物理化学性质】
XRD显示所有催化剂均形成立方NiO相，掺杂使晶粒尺寸从24.8 nm降至9.7-12.1 nm。TPR-H₂
表明Nb掺杂使还原峰温升至373°C，XPS证实Nb⁵⁺
改变了Ni 2p_3/2
卫星峰强度分布。IR-CO谱图显示Nb掺杂使Ni Lewis酸性位点特征峰位移至2191 cm^-1
，表明其具有最强的金属-CO键合能。

【3.2 催化结果】
在5%乙烷/10%N₂
O/85%He条件下，(Nb)NiO催化剂展现最佳性能：乙烯收率36.5%，选择性72.6%。对比实验显示，N₂
O作氧化剂时乙烯选择性较O₂
提高8-10%。稳定性测试中，(Nb)NiO连续运行7小时性能稳定，而(Ce)NiO在2.5小时后因NiO还原为Ni⁰
导致乙烯选择性归零。

【3.3 电化学性质】
EIS分析显示(Nb)NiO具有最高电荷转移电阻(R₁
=24.5 Ω)，与72%乙烯选择性直接相关。莫特-肖特基曲线表明Nb掺杂使催化剂从p型半导体转变为n型特性，受体缺陷密度(N_A
)显著降低。XPS-O 1s谱证实Nb掺杂减少了531.1 eV处的电负性氧物种(O^-
)含量。

【3.4 程序升温反应】
TPR-N₂
O显示所有催化剂在300°C以下即可活化N₂
O。TPR-N₂
O/乙烷实验中，(Nb)NiO在N₂
O耗尽后仍保持NiO相，而(Ce)NiO和(Ti)NiO则生成H₂
和金属Ni。

该研究通过系统的电化学表征揭示了催化性能与材料本征性质的关联规律：低受体缺陷密度(N_A
)和高电荷转移阻力(R₁
)有利于提升乙烯选择性。Nb⁵⁺
因离子半径匹配可有效填充Ni²⁺
空位，抑制非选择性氧物种形成。相比传统O₂
-ODH工艺，N₂
O辅助过程不仅能实现40%的乙烯收率突破，更开创了温室气体资源化利用的新途径。研究提出的"位点隔离"原则和电化学性能调控策略，为设计高效选择性氧化催化剂提供了理论依据。