Chinesische Wissenschaftler vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) haben eine bisher unbekannte Atomstruktur auf Nickeloxid entdeckt, die die Methankonversion deutlich verbessert. Dieser Befund erklärt, warum Nickeloxid und nicht metallisches Nickel der Hauptantrieb der Reaktion ist und die Herstellung von Katalysatoren mit drastisch reduziertem Nickelgehalt ermöglicht.
Die Forschung, die von den Professoren Tao Zhang, Aiqin Wang und Xiaoyan Liu vom DICP sowie von den Professoren Wei Liu (DICP), Tao Yang (Xi'an Jiaotong University) und Graham J. Hutchings (Cardiff University) geleitet wurde, konzentrierte sich auf die partielle Oxidation von Methan (POM), ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas für Brennstoffe und Chemikalien. Lange Zeit wurde angenommen, dass metallische Nickel (Ni)-Nanopartikel die wichtigsten aktiven Zentren in POM sind. Das Team stellte jedoch die Frage, ob das nach der Reaktion beobachtete metallische Ni tatsächlich für die Katalyse verantwortlich ist oder lediglich ein Nebenprodukt des Prozesses.
Die Wissenschaftler erstellten einen Ni/Al2O3-Katalysator, der nur 0,8 Gew.-% Ni mit einem Mikroemulsionsverfahren enthielt. Dieser Katalysator mit niedrigem Nickelgehalt zeigte ein hohes Leistungsniveau, wobei 92 % des Methans mit einer Selektivität von 87,0 % für CO und H2 umgesetzt wurden, wobei ein stabiles H2/CO-Molverhältnis von 2,0 aufrechterhalten wurde. Bemerkenswert ist, dass nach der Reaktion kaum noch metallisches Ni im Katalysator nachweisbar war.
Trotz des minimalen Nickelgehalts konkurrierte die Leistung des Katalysators mit der eines Katalysators, der zehnmal mehr Nickel enthielt (8,0 Gew.-% Ni/Al2O3, hergestellt durch Imprägnierung). Der Katalysator mit niedriger Beladung übertraf auch einen ähnlichen Katalysator mit niedrigem Nickelgehalt, der mit dem Imprägnierungsverfahren hergestellt wurde und nur eine Methanverbrennung anstelle einer effektiven POM zeigte. Die Entdeckung enthüllt die atomare Quelle der katalytischen Aktivität und unterstreicht die Bedeutung der Beobachtung von Katalysatoren unter realistischen Betriebsbedingungen.
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