随着全球气候变化愈发严峻,甲烷作为重要温室效应气体亟需管控,本文综述了钯基双金属催化剂应用于低浓度甲烷(贫甲烷)高效燃烧领域的研究进展,深入分析其在实际工业应用中面临的挑战与应对策略,旨在为高效钯基催化剂的设计及其在工业领域的应用提供理论支持。
导
读
随着全球气候变化问题日益严峻,来自交通运输和煤矿活动等领域的贫甲烷排放已成为亟待解决的环境难题。鉴于钯基催化剂在低温氧化性能方面展现出的卓越性能,其被视为处理贫甲烷排放的一项关键技术。然而,在错综复杂的工业应用环境中,如何提高钯基催化剂的活性、稳定性及抗中毒能力,仍然是亟待攻克的技术难题。本文全面综述了钯基双金属催化剂的最新研究进展,旨在为钯基催化剂的优化设计及其在工业领域的广泛应用提供理论依据,以期推动环境治理的深入进行,为实现可持续发展贡献力量。
图1 图文摘要
在工业应用中,钯基双金属催化剂的性能和使用寿命主要受催化剂内在特性与外部反应条件的共同制约。内在特性方面,钯基双金属催化剂的设计与构建在提升催化效率中扮演着核心角色,包括活性位点微环境调控、金属分散性、金属-载体间相互作用、双金属结构的精细调控等。外部反应条件的影响对于维持其在复杂工业环境中的长效稳定运行至关重要,特别是高温、高湿和含硫等恶劣环境下催化剂的失活成为亟待解决的问题,因此,需要开发有效的应对策略,如提高催化剂的热稳定性、抗湿性以及抗硫中毒能力。
图2 钯基催化剂在高温条件下的失活机理及其应对策略
在高温环境中,钯基双金属催化剂易于遭受烧结和氧化钯物种分解问题的困扰,进而引发催化活性的衰退。为提高催化剂的热稳定性,可以通过优化金属-载体相互作用、构建合金相(如钯-金或钯-铑合金)、设计几何屏障(如核壳结构)、精准调控粒径以及增强氧化还原性能等方式来实现(图2)。在高湿环境中,水蒸气成为催化剂失活的又一关键因素,其影响机制主要分为两大类:一是水蒸气阻塞活性位点导致的快速失活,二是水分子与催化剂反应形成稳定的羟基物种,导致慢性失活。此外,水蒸气还会影响催化剂的分散性,促进氧化钯的烧结,进一步降低催化性能。为提高催化剂的抗水性,可以通过添加铂作为辅助金属、使用高氧迁移率材料(如氧化铈、氧化锆、氧化锡、氧化钴等)作为载体,或引入疏水性载体来增强催化剂的抗水中毒性。在含硫环境中,硫化物(SO2和H2S)易与金属氧化物或载体反应,生成硫酸盐和亚硫酸盐,严重阻碍催化反应的进行。提高催化剂抗硫性的策略包括使用不可硫化的金属(如铂)或通过改性载体来增强钯的抗硫能力。因此,优化钯基催化剂的关键在于通过材料设计和结构优化,提升其在高温、高湿和含硫复杂环境下的稳定性。
总
结
与
展
望
尽管钯基催化剂促进贫甲烷燃烧和排放控制方面已经取得初步成果,但仍面临催化剂成本高、稳定性不足、适应复杂工业环境能力有限等诸多挑战。因此,未来的研究应聚焦于优化双金属催化剂的组成和结构,尤其要强化其在极端条件——如高温、高湿及含硫氛围下的效能。此外,提高催化剂对工业废气杂质的耐受性也是亟待解决的关键问题之一。为推动催化技术创新与可持续发展的深度融合,采用工业固废合成多孔材料作为催化剂载体,不仅能有效减少环境污染,实现绿色发展,还能为催化剂的改性提供新途径。此外,加速可规模化催化剂的研发进程,缩短从实验室研究到工业应用的转化距离,对于催化剂的应用至关重要。最终,构建高效的工业回收系统,优化资源利用和经济性,将为减少贫甲烷排放、推动环境可持续发展贡献力量。
责任编辑
杨其浩 中国科学院宁波材料技术与工程研究所
高文波 中国科学院大连化学物理研究所
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials 第3卷第1期发表的Review文章“Progress in palladium-based bimetallic catalysts for lean methane combustion: Towards harsh industrial applications” (投稿: 2024-08-10;接收: 2024-12-31;在线刊出: 2025-01-06)。
DOI:10.59717/j.xinn-mater.2024.100116
引用格式:Kong F., Nie B., Jiang L., et al. (2025). Progress in palladium-based bimetallic catalysts for lean methane combustion: Towards harsh industrial applications.The Innovation Materials 3: 100116.
作者简介
聂百胜 煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室常务副主任,重庆大学资源与安全学院院长,长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才,英国皇家工程院“Leaders of Innovative Fellow”、中国青年科技奖获得者、教育部新世纪优秀人才。担任Int J Min Reclam Env、Int J Min Met Mater和CIM Journal 国际期刊编委、Int Committee on Min Safety Sci Eng副理事长、全国科技创新领军人才联盟理事和矿业领域ISO/TC 82国内技术对口工作组成员,《煤矿安全规程》一通三防修订组副组长,两次担任国务院特别重大事故调查组专家,十余次担任国际会议联合主席、副主席和学术委员。完成国家自然基金仪器专项、国家“十五、十一五、十三五、十四五”重点研发专项项目及课题等20余项。出版专著和教材8部,发表SCI、EI论文200余篇,授权国家发明专利28件、国际专利4件。获国家科技进步二等奖2项(排名2、4)、重庆市自然科学奖一等奖(排名1)等省部及协会级一、二等科技奖励15项。
姜亮亮 加拿大University of Calgary研究员,University of Adelaide、University of Houston、重庆大学等高校校外导师。主要从事煤制氢、清洁煤能源、煤炭地下气化、地热能、二氧化碳和氢气地质埋存、非常规油气清洁开发等方面研究工作。在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、The Innovation Materials、The Innovation Energy、Engineering、Chemical Engineering Journal、Engineering、Applied Energy、Energy Conversion and Management、Journal of Cleaner Production、Energy Reviews等期刊发表文章70余篇(含Energy Reviews创刊首个封面文章)。担任The Innovation、SusMat、Engineering、Energy Reviews、EcoEnergy、Natural Gas Industry B、Petroleum、Green Carbon、Green and Smart Mining Engineering、Deep Underground Science & Engineering、天然气工业和煤炭学报等期刊编委和青年编委。获ENI Award(能源诺贝尔奖)提名奖3次、Applied Energy优秀审稿人、Engineering优秀青年通讯专家、Energy Reviews优秀青年编委和High Impact Paper Award 2023等。
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