将CO2和CH4转化为高附加值的化学品和燃料符合实现大规模固碳、减少碳排放和碳循环的要求。目前一种有前景的方法是通过CH4的热催化干重整(DRM)反应同时转化CO2和CH4以产生合成气(H2和CO)。热力学上，DRM反应涉及C-H键解离(439 kJ mol−1)和C=O键加氢(750 kJ mol−1)，这是一个高度吸热过程(ΔH298K=247 kJ mol−1)。因此该反应通常需要高能耗和高反应温度(> 800 °C)以保持有利的催化活性，但苛刻的反应条件导致纳米颗粒团聚和碳沉积而遭受严重的催化剂失活。
在这种情况下，人们一直致力于探索高效的DRM反应的催化剂，如负载型贵金属和非贵金属催化剂。尽管已经取得了相当大的进展，但合理设计和制备高效催化剂以同时获得高活性和高稳定性仍然是一个巨大的挑战。近日，北京化工大学卫敏、杨宇森和中国石油大学(北京)崔国庆等通过简单的浸渍-还原方法制备了CeO2负载的Ir纳米团簇催化剂(Ir/CeO2-x)，其能够高效稳定催化DRM反应。HAADF-STEM、准原位XPS和原位XAFS证实了Ir/CeO2-x中Irδ+-Ov-Ce3+界面结构的形成，其浓度可以通过调节Ir负载量来调节。性能测试结果显示，最佳的0.6% Ir/CeO2-x催化剂在700 °C下表现出高CH4(~72%)和CO2(~82%)转化率，CH4反应速率为?973 μmolCH4 gcat-1 s-1；并且，该催化剂在连续反应100 h过程中的CH4和CO2转化率几乎保持不变，且反应结束后材料的形貌和结构仍保持良好，显示出优异的反应稳定性。动力学研究、原位光谱表征和理论计算表明，CH4的解离是DRM反应的速率控制步骤，由于界面协同催化作用，其活化能显著减少。同时，界面Irδ+-Ov-Ce3+位点作为内在活性中心：CH4分子在界面Irδ+位点进行活化吸附和解离形成CH2*物种和H2，然后CH2*被相邻的氧物种氧化产生CH2O*，随后CH2O*脱氢产生CO和H2；而氧物种可以通过Ov活化吸附的CO2来补充。总的来说，这种界面协同催化不仅增强了DRM反应的催化活性，而且抑制了CH2*过度分解造成碳沉积而引起催化剂失活。Facilitating the dry reforming of methane with interfacial synergistic catalysis in an Ir@CeO2−x catalyst. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48122-6
