稀土金属增强的镍基纤维状二氧化硅催化剂：热稳定性突破实现高效甲烷裂解制氢

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hierarchically fibrous silica supported nickel nanoparticle catalyst: Rare earth metals unlock thermal stability for effective methane splitting

本文系统研究了稀土金属（La、Ce、Pr、Sm）促进的镍基分级纤维状二氧化硅（HFS）催化剂在甲烷催化裂解（CSM）中的应用。通过多种表征手段（XRD、N2物理吸附、H2-TPR、SEM-EDS、XPS）证实稀土修饰显著提升Ni分散度、还原性及抗积碳能力，使CH4转化率提升18-22倍（650°C）。其中15Ni-5Sm/HFS表现最优，同步生成多壁碳纳米管（MWCNTs），并成功实现碳纳米纤维（CNFs）的回收纯化，为绿氢生产和碳材料制备提供创新策略。

　　

亮点

XRD分析

图1中煅烧xNi/HFS催化剂（x=15–45 wt%）的XRD图谱显示，在2θ=37.5°、43.5°、63.0°、75.6°和79.6°处出现明显的衍射峰，对应立方NiO相（ICSD #75–0197）。位于2θ=23.2°的宽峰归因于无定形二氧化硅载体。随着Ni含量增加，NiO峰更加明显，表明形成更大晶粒。德拜-谢勒分析证实了这一点，显示NiO晶粒尺寸从15 wt%时的18纳米增加到45 wt%时的25纳米。

结论

稀土促进并未改变Ni晶格结构完整性，但显著提高了镍基催化剂的还原能力。所有稀土促进的CSM催化剂均表现出增强且稳定的CH₄转化性能。Ni的稀土促进通过改善Ni分散度、提升金属还原性及提供碱性位点（实现向Ni的电子捐赠），显著提高了CH₄转化率和热稳定性，从而实现更优的CH₄裂解。此外，改性催化剂在反应后成功回收高纯度碳纳米纤维，为先进应用奠定基础。