无溶剂机械化学法将二氧化碳转化为介孔碳化硅：一种制备高性能催化剂的绿色途径

《RSC Mechanochemistry》：Solvent-free mechanochemical conversion of CO2 into mesoporous SiC: a green route to high-performance catalysts

硅基材料合成|CO?转化|机械化学法|多孔SiC|催化剂载体|干重整反应

　　硅碳化物（SiC）作为一种关键材料，广泛应用于结构、电子以及催化等多个领域。然而，传统的合成方法——Acheson工艺，由于需要在2200至2400摄氏度的高温下进行，且碳利用效率较低，导致其能耗巨大，限制了其大规模应用。为了解决这一问题，本研究提出了一种全新的、无需溶剂的机械化学合成方法，利用二氧化碳（CO?）作为可持续的碳源，并以二氧化硅（SiO?）和镁（Mg）作为丰富的地壳元素前驱体，成功合成了具有介孔结构的SiC材料。该方法在能量消耗仅为传统方法10%的情况下，实现了高达84%的CO?转化效率，同时获得了性能优异、结构稳定的SiC材料，为未来高附加值材料的绿色合成提供了新的思路。

在工业和环境领域，SiC因其出色的耐高温性、高硬度以及良好的化学稳定性而备受关注。然而，传统Acheson工艺不仅耗能严重，还伴随着大量的碳排放，这与当前全球对可持续发展的需求相悖。此外，该工艺生成的α-SiC颗粒较大且高度结晶化，限制了其在某些应用中的性能表现。因此，开发一种更加环保、高效且成本低廉的SiC合成方法成为迫切需求。本研究通过两步机械化学反应，将SiO?和CO?在机械能驱动下转化为SiC，这一过程不仅避免了高温和高能耗，还实现了对CO?的高效利用，同时保持了材料的结构优势。

在合成过程中，首先将纳米级SiO?颗粒与Mg粉末进行球磨处理，形成Mg?Si作为关键中间产物。随后，Mg?Si在机械能作用下与CO?发生反应，生成SiC和MgO。这种两步机械化学合成方法显著降低了反应所需的外部能量输入，同时通过反应过程中释放的气体压力变化，实现了对反应进程的实时监测。研究结果表明，该方法不仅在反应效率上优于传统工艺，还能够在短时间内完成反应，从而提高生产效率。

在结构表征方面，通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究人员对生成的SiC纳米颗粒进行了详细的分析。结果显示，所合成的SiC纳米颗粒具有介孔结构，且其晶格间距与β-SiC的特征一致，表明其具有较高的结晶度和结构完整性。此外，通过氮气吸附-脱附等温线和BJH孔径分布分析，进一步确认了SiC纳米颗粒的孔隙结构特征。与原始的SiO?纳米颗粒相比，生成的SiC纳米颗粒虽然在比表面积和孔体积上有所降低，但其结构特性仍然得以保留，这为后续的催化应用奠定了良好的基础。

该研究还探讨了SiC作为催化剂载体在干重整甲烷（DRM）反应中的应用。DRM反应是一种将甲烷和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳（即合成气）的过程，对于减少温室气体排放和开发新型能源具有重要意义。研究人员将镍（Ni）负载在介孔SiC纳米颗粒上，制备了Ni/SiC-nsp催化剂，并对其在DRM反应中的性能进行了评估。实验结果表明，该催化剂在100小时内保持了良好的催化活性，甲烷和二氧化碳的转化率接近热力学平衡，同时表现出优异的抗结焦能力。结焦是DRM反应中的一大技术难题，容易导致催化剂失活，而本研究中Ni/SiC-nsp催化剂在反应后仅产生了1.71%的结焦，表明其具有出色的稳定性。

在催化性能的比较中，研究人员发现，Ni/SiC-nsp催化剂在抗结焦能力和催化稳定性方面优于之前报道的其他SiC基催化剂。这一结果归因于介孔结构带来的高比表面积以及SiC本身的优异热稳定性。此外，该催化剂在高温条件下仍能保持良好的性能，这与其作为催化剂载体的高热导率密切相关。因此，该研究提出的SiC合成方法不仅适用于工业材料制备，还为催化反应提供了一种高效、稳定的材料平台。

在绿色化学的背景下，本研究的意义尤为突出。传统的SiC合成方法不仅能耗高，还依赖于化石燃料作为碳源，这与减少碳排放的目标相悖。而本研究通过使用CO?作为碳源，实现了碳资源的循环利用，同时避免了溶剂的使用，减少了对环境的污染。此外，所使用的前驱体（如SiO?和Mg）均为地球储量丰富的材料，进一步降低了合成成本，提高了方法的可扩展性和经济性。这种结合了碳捕集与材料合成的工艺，为实现碳中和目标提供了新的技术路径。

为了验证该方法的通用性，研究人员还尝试使用天然生物质来源的二氧化硅（如稻壳）作为SiO?的替代材料。实验结果表明，即使使用不同来源的SiO?，该机械化学合成方法仍能成功生成具有介孔结构的SiC材料，且其催化性能不受前驱体来源的影响。这说明该方法在原料选择上具有较大的灵活性，适用于多种工业场景。

此外，研究还对不同碳源对SiC合成的影响进行了比较。当使用活性炭（AC）作为碳源时，尽管能够生成SiC，但其转化效率低于使用CO?的情况，且在反应过程中产生了较多的未反应碳残留，形成了一层无定形碳层（ACL），这可能会影响催化剂的性能。相比之下，使用CO?作为碳源能够更有效地避免这一问题，从而提高催化剂的稳定性和活性。

在实际应用中，该方法的优势不仅体现在合成效率和环保性上，还在于其工艺的可扩展性。机械化学合成过程可以通过调整球磨参数（如球磨时间、球磨速度、球粉比等）来优化反应条件，从而满足不同规模的生产需求。同时，该方法在反应过程中无需外部能量输入，仅依靠机械能驱动，使得其在能源成本上具有显著优势。这为未来在分布式生产系统中应用该技术提供了可能性。

综上所述，本研究提出了一种全新的、高效且环保的SiC合成方法，通过两步机械化学反应，将SiO?和CO?转化为具有介孔结构的SiC材料。该方法不仅降低了能耗，还实现了对CO?的高效利用，为碳捕集与资源化利用提供了可行的解决方案。同时，所合成的SiC材料在催化性能方面表现出色，特别是在DRM反应中，其高稳定性和抗结焦能力使其成为一种理想的催化剂载体。这一研究为推动绿色化学的发展、促进碳中和目标的实现以及开发新型高性能材料提供了重要的理论和技术支持。未来，该方法有望在多个领域得到广泛应用，包括能源、环境、化工和材料科学等，为实现可持续发展提供新的技术路径。