8月26日，课题组在 Small 期刊发表题为“Photothermal Steering of the CH₄-CO₂ Coupling Pathway and Coke-Suppression Mechanism by Ni^δ+-O_v-Al Interfacial Sites ”的研究论文。论文第一作者为2024级硕士研究生刘宇浩，通讯作者为郭洋教授。

甲烷干重整（DRM）可将 CH₄和 CO₂转化为合成气，是碳资源利用的重要路线。但高温下 CH₄裂解产生的积碳容易覆盖活性位点，导致催化剂失活。其核心难点在于：活性氧物种生成不足、迁移慢，CH₄裂解碳不能及时被氧化消除。光热协同催化与界面氧空位工程被认为是有希望的解决方案，但二者如何协同、如何调控反应路径仍不清晰。

针对这一问题，作者以 NiMgAl-LDH 为前驱体，通过简单碱性刻蚀策略构建了富含 Ni^δ+-O_v-Al 界面位点的 NiMgAl-A 催化剂。碱性刻蚀诱导阳离子空位和氧空位，促进 Ni 高度分散，并引发 Ni 向载体的持续电子转移。结果显示，Ni 粒径由 26.99 nm 降至 10.51 nm，Ni 分散度由 3.90% 提升至 10.20%，氧空位浓度由 51.74% 提升至 64.85%。

图1 NiMgAl-A催化剂的制备流程、形貌、Ni 粒径分布与结构表征

在 600 °C、2.9 W·cm^-2 光照条件下，NiMgAl-A 的 CH₄ 和 CO₂ 转化率分别达到 56.29% 和 53.22%，是未处理 NiMgAl 的 1.55 倍和 1.61 倍；碳沉积速率由 0.57 g·h^-1 降至 0.12 g·h^-1，抗积碳能力提升 4.75 倍。同时，NiMgAl-A 的带隙由 2.7 eV 降至 2.4 eV，瞬态光电流显著增强，420 nm 下表观量子产率由 3.07% 提升至 11.17%。

图2 TC 与 PTSC 条件下 NiMgAl-A 和 NiMgAl 的 DRM 催化性能对比

微观机制研究表明，Ni^δ+-O_v-Al 界面位点既是 CH₄/CO₂ 活化的本征活性中心，也是光生电子的“界面陷阱”。XANES/EXAFS 证实 Ni 向载体转移电子，形成缺电子 Ni 位点；O_v 和富电子 Al 位点则有利于 CO₂ 吸附与活化。原位 DRIFTS 观察到光照下 CH_xO* 和 COOH* 等关键中间体显著增强。DFT 计算进一步表明，NiMgAl-A 上速控步 CH* 与活性氧耦合生成 CH_xO* 的能垒由 1.22 eV 降至 1.09 eV，CO₂ 裂解能垒由 0.98 eV 降至 0.68 eV；而 CH* 直接裂解成碳的能垒则由 0.86 eV 提高到 1.22 eV。也就是说，光热协同让反应更倾向于走 CH_xO 耦合路径，而不是积碳路径。

图3 原位 DRIFTS 与 DFT 揭示 CH_xO 关键中间体及光热抗积碳机制

该工作从原子/电子尺度揭示了界面氧空位与光生电子之间的协同机制：光生载流子加速活性氧物种生成，Ni^δ+-O_v-Al 界面促进 CH₄ 和 CO₂ 直接耦合为 CH_xO* 中间体，从而显著抑制积碳。该策略为设计高效、抗积碳的 DRM 催化剂提供了新思路。

引用：Yuhao Liu, Xu Liu, Tengfei Li, Juntao Li, Pengjie Miao, Yang Guo, Photothermal Steering of the CH₄-CO₂ Coupling Pathway and Coke-Suppression Mechanism by Ni^δ+-O_v-Al Interfacial Sites [J]. Small, 2026, 22(47): e74304.

链接：https://doi.org/10.1002/smll.74304（按住ctrl跳转）