基于镍的高稳定性催化剂，负载在二氧化硅纳米纤维上，用于甲烷与富含二氧化碳的原料的干重整反应

《Journal of the Energy Institute》：Highly stable Ni-based catalysts supported on silica nanofibers for the dry reforming of methane with CO 2-rich feedstock

氢能生产的关键技术——甲烷干重整催化剂研究

　　在当今全球面临气候变化和碳排放挑战的背景下，开发低碳能源技术成为各国政策制定的重要方向。氢气作为一种清洁的二次能源，被认为是实现碳中和目标的关键因素之一。因此，氢气的生产技术，尤其是通过干法甲烷重整（Dry Reforming of Methane, DRM）技术从二氧化碳和甲烷中制备合成气（syngas）的方法，受到广泛关注。DRM技术不仅能够将甲烷转化为高价值的氢气和一氧化碳，还能有效减少温室气体的排放，从而在推动绿色能源发展方面具有重要意义。然而，要实现该技术的广泛应用，催化剂的性能和稳定性是决定性因素。在本研究中，科学家们探讨了两种不同的Ni–Ce复合催化剂在干法甲烷重整反应中的表现，旨在提高催化剂的效率并延长其使用寿命。

甲烷重整反应通常需要高温条件，以促进甲烷与二氧化碳的反应。然而，高温环境往往导致催化剂的烧结，降低其活性和选择性。因此，如何在不牺牲反应效率的前提下提高催化剂的稳定性，成为该领域研究的核心问题。CeO?作为一种常见的氧化物支持材料，因其优异的氧储存能力和促进金属-载体相互作用的能力而被广泛应用于催化剂设计中。本研究通过引入CeO?，试图改善Ni催化剂在干法甲烷重整反应中的性能，尤其是在反应过程中防止金属颗粒的聚集和失活。

研究团队采用了一种创新的复合支持材料——二氧化硅纤维（SiO? fiber, SF），并在此基础上开发了两种Ni–Ce复合催化剂。一种是直接在SF上负载Ni–Ce复合物，形成NiCe/SF催化剂；另一种则是将Ni催化剂负载在CeO?修饰的SF上，形成10 %Ni/Ce-SF催化剂。这两种催化剂的设计思路不同，前者通过CeO?的结构促进作用，使Ni颗粒均匀分布在SF表面，从而提高催化活性；后者则通过CeO?对SF电子性质的调控，优化催化剂的整体性能。这两种不同的策略反映了当前催化剂开发中常见的两种方向：一是通过材料结构的优化，二是通过电子性质的调控，以期达到更高的催化效率和稳定性。

在实验过程中，研究团队使用固定床反应器进行DRM反应，并设置了两种不同的原料配比：CO?与CH?的体积比分别为50:50和85:15。这两种配比分别代表了不同浓度的二氧化碳来源，可能适用于不同的实际应用场景。通过对比两种催化剂在不同原料配比下的表现，研究团队希望揭示CeO?在催化剂性能提升中的作用机制，并评估其在实际应用中的可行性。此外，为了进一步验证催化剂的稳定性，研究团队对催化剂进行了长达50小时的反应测试，并观察其在多次循环使用后的性能变化。

实验结果显示，所有催化剂在DRM反应中均表现出超过80 %的甲烷转化率，这表明Ni–Ce复合催化剂在该反应中具有较高的活性。然而，催化剂的稳定性表现则有所不同。其中，10 %Ni/Ce-SF催化剂在反应过程中展现出优异的稳定性，能够持续运行超过50小时，并且在三次循环使用后仍能保持较高的催化效率。相比之下，10 % 4Ni1Ce/SF催化剂虽然在活性方面表现良好，但在长期运行中仍存在一定程度的失活现象。这种差异可能与两种催化剂的结构和电子特性有关。在10 %Ni/Ce-SF催化剂中，CeO?不仅改善了Ni颗粒的分散性，还通过调控电子结构增强了催化剂的抗烧结能力，从而提高了其在高温条件下的稳定性。

值得注意的是，实验还发现，在反应过程中，催化剂表面仅出现了4.5 %的焦化现象。这一结果表明，CeO?的引入在一定程度上抑制了催化剂的失活，从而提高了其在实际应用中的可行性。焦化是催化剂失活的主要原因之一，特别是在高温和高浓度的反应条件下，催化剂表面容易生成碳沉积物，进而降低其催化活性。因此，如何有效减少焦化现象，是提高催化剂寿命和反应效率的关键。本研究中，CeO?的添加不仅改善了Ni颗粒的分散性，还通过其氧储存能力增强了CO?的活化效率，从而降低了焦化倾向。

此外，研究团队还对催化剂的结构和性能进行了系统分析。通过X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，研究团队发现，CeO?的引入显著增强了金属与载体之间的相互作用，使得Ni颗粒在催化剂表面分布更加均匀。这种均匀分布不仅提高了催化剂的活性，还减少了金属颗粒之间的聚集，从而延缓了催化剂的失活过程。与此同时，CeO?的高氧储存能力使其在反应过程中能够持续提供氧气，促进CO?的活化，进而提高反应效率。

在实验数据的基础上，研究团队进一步探讨了这两种催化剂在实际应用中的潜力。特别是10 %Ni/Ce-SF催化剂在反应条件下的稳定性表现，使其成为一种具有广泛应用前景的材料。该催化剂不仅能够在较长时间内维持较高的催化活性，还具备良好的可重复使用性，这在工业应用中尤为重要。此外，其较低的焦化倾向也意味着在实际操作中可以减少催化剂更换的频率，从而降低生产成本和环境影响。

本研究的结果为未来氢气生产技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。通过优化催化剂的结构和性能，研究团队成功提升了Ni–Ce复合催化剂在DRM反应中的效率和稳定性，这为实现可持续的氢气生产策略奠定了基础。此外，研究还揭示了CeO?在催化剂设计中的关键作用，表明其不仅可以作为结构促进剂，还可以通过调控电子性质来增强催化剂的性能。这一发现对于未来催化剂的开发具有重要的参考价值。

从更广泛的角度来看，本研究不仅关注催化剂本身的性能，还考虑了其在实际应用中的可行性。在当前全球能源转型的背景下，氢气作为一种清洁能源，其生产技术的优化对于实现碳中和目标至关重要。通过提高催化剂的效率和稳定性，可以有效降低氢气生产成本，提高其经济性和环境友好性。此外，研究团队还提到，这些催化剂的应用可以扩展到实际的天然气资源中，这表明其不仅适用于实验室环境，也具有良好的工业应用前景。

为了进一步推动氢气生产技术的发展，研究团队还强调了催化剂设计的重要性。在当前的能源转型过程中，催化剂的选择和优化是决定技术可行性的关键因素之一。通过采用不同的催化剂结构和材料组合，可以实现更高的反应效率和更低的环境影响。本研究中的两种Ni–Ce复合催化剂，通过不同的设计策略，展示了催化剂性能提升的多种可能性，这为未来的催化剂研究提供了新的思路和方向。

此外，研究团队还提到了催化剂的可持续性问题。在氢气生产过程中，催化剂的寿命和可重复使用性直接影响其经济性和环境影响。因此，开发具有高稳定性和长寿命的催化剂，是实现可持续氢气生产的重要目标。本研究中，10 %Ni/Ce-SF催化剂在多次循环使用后仍能保持较高的催化活性，这表明其具有良好的可持续性。这种特性使得该催化剂在未来的氢气生产中具有更高的应用价值，尤其是在需要长期稳定运行的工业场景中。

总的来说，本研究为Ni–Ce复合催化剂在干法甲烷重整反应中的应用提供了新的视角和实验依据。通过优化催化剂的结构和性能，研究团队成功提升了催化剂的效率和稳定性，这为实现低碳社会和推动氢经济的发展提供了重要的技术支持。未来，随着对催化剂设计和性能优化的进一步研究，这些成果有望在更广泛的能源领域中得到应用，为全球能源转型和可持续发展做出贡献。