中国农业大学｜工学院韩鲁佳、田思聪教授团队揭示甲烷部分氧化重整金属–氧化物协同催化新机制

近日，工学院农业生物质资源利用工程实验室田思聪教授在自然指数化学类顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上发表热点研究论文Active-Site Shifting on the Ni-FeO_x Interface Bridges Metallic and Oxidative Catalysis for Efficient Methane Partial Oxidation。首次揭示Ni–FeO_x界面催化系统中独特的活性位点转移机制，为突破生物质甲烷部分氧化重整长期以来受高温依赖和碳沉积限制的科学难题提供了全新机理和技术路径。

生物质甲烷作为重要的清洁能源和化工原料，其高效低温转化一直是能源催化科学领域的核心挑战。传统氧化物催化体系通常需要极高反应温度（>900 ℃）才能驱动甲烷化学链部分氧化过程，且易产生催化剂积碳失活现象，阻碍了技术应用。该研究构建了合成方法简易的Ni-FeO_x复合材料体系，通过实验与理论紧密结合，发现甲烷部分氧化过程中，中间体 CH₃*在Ni-FeO_x反应界面上从金属 Ni 位点向FeO_x位点迁移，以“接力”方式协同完成甲烷脱氢与氧化过程。这一活性位点转移机制突破了“全程发生在金属位点的串联反应机理”的传统认知。

Ni-FeO_x反应界面活性中心转移实验证据

理论计算进一步验证了这一机制的合理性：CH₃*跨界迁移的能垒为4.45 eV，明显低于在单一Ni或FeO_x位点上的能垒（28.54 eV和5.36 eV），表明界面迁移是能量更优的反应路径。界面电荷密度差分和X射线光电子能谱分析结果表明，Ni-FeO_x界面存在明显的电子相互作用，所导致的电荷分布特征推动了CH₃*中间体向FeO_x位点的转移，在活性位迁移过程中发挥了决定性作用。

Ni-FeO_x界面活性中心转移反应路径及机理

基于这一机理构建的Ni-FeO_x催化体系在中温条件下展现出优异的性能表现：在700 ℃时甲烷转化率高达89.9%，合成气产率达到9.7 mmol/g，不仅优于传统Fe₃O₄催化体系，也显著超越多数同类金属–氧化物耦合催化体系；同时循环运行过程中表现出高稳定性和抗积碳能力。这些结果表明，活性位迁移机制显著提升了催化效率并抑制了积碳生成，为生物质甲烷高效转化提供了新的理论指导。

Ni-FeO_x催化体系部分氧化重整甲烷性能表现

中国农业大学为论文第一完成单位，博士研究生刘玟为论文第一作者，田思聪教授为论文通讯作者，韩鲁佳教授在论文研究工作全程提供支持与指导。该研究获得了国家自然科学基金（52206188）与中国农业大学“杰出人才”支持计划资助。