白洋淀流域中非平稳地下水位对人为因素与自然因素共同作用的响应

《Journal of Hydro-environment Research》：Nonstationary groundwater level responses to coupled human–natural drivers in the Baiyangdian Watershed

Ni催化剂在甲烷蒸汽重整（MSR）和二氧化碳甲烷化（CM）中的性能受活性炭（AC）载体孔隙结构显著影响，16种AC通过不同活化条件调控，其比表面积800-2300 m2/g，孔径1-2 nm，介孔占比0-25%。实验表明MSR转化率60-100%，CM转化率27-63%，最佳C1催化剂（微孔主导，比表面积1309 m2/g）性能较优，但催化活性与单一孔隙参数无明确关联，需综合考量孔径分布、连通性及表面化学特性。

　　在现代能源转型和碳中和目标的推动下，催化剂的设计与优化成为实现高效化学反应的关键环节。其中，催化剂载体的结构特性对反应性能的影响尤为显著，尤其是在涉及氢气生产与利用的催化过程中。例如，甲醇蒸汽重整（MSR）和二氧化碳甲烷化（CM）是当前备受关注的两种重要反应，分别用于制备氢气和将二氧化碳转化为可储存的甲烷。这些反应的成功依赖于催化剂载体对反应物扩散、吸附以及活性位点分布的调控能力。因此，对催化剂载体结构的深入研究，不仅有助于提升反应效率，还对实现绿色、可持续的能源转化具有重要意义。

本研究聚焦于活性炭（AC）作为催化剂载体在MSR和CM反应中的作用。通过调控不同的活化条件，如温度、活化时间、活化剂种类及比例，制备了十六种具有不同孔结构的活性炭材料。这些材料的表面特性呈现出显著的差异，包括比表面积（S_BET）从800到2300 m2/g，介孔比（S_meso/S_BET）在0%至25%之间，总孔体积（V_t）从0.3到1.3 cm3/g，以及平均孔径（D_p）在1–2 nm的范围内。这些活性炭材料随后被用于负载18 wt%的镍（Ni），以评估其在MSR和CM反应中的催化活性。实验结果表明，不同的活性炭载体对这两种反应的影响存在显著差异，其中甲醇转化率在60%至100%之间波动，而二氧化碳转化率则在27%至63%之间变化。这反映出催化活性不仅与单一的孔结构参数相关，还受到孔径分布、孔隙连通性以及碳表面化学性质的综合影响。

活性炭作为催化剂载体的优势在于其可调的孔结构和丰富的表面功能。与传统的金属氧化物载体（如Al?O?和SiO?）相比，活性炭能够提供更高的比表面积和更均匀的金属分散能力，从而增加反应物在催化剂表面的接触机会。此外，活性炭的孔隙结构有助于改善反应物的扩散行为，减少扩散阻力，提升反应速率。例如，在MSR反应中，活性炭的高孔隙率能够确保甲醇分子均匀地分布并有效与金属活性位点接触，提高氢气的产率。而在CM反应中，活性炭的介孔结构则有助于二氧化碳分子的扩散和吸附，从而加速甲烷化过程。

在本研究中，制备了不同类型的活性炭支持材料，并通过实验验证了其对Ni催化剂性能的具体影响。其中，C1催化剂在MSR和CM反应中表现出较高的催化活性，其支持材料为以微孔为主的AC1（S_BET = 1309 m2/g，V_t = 0.56 cm3/g）。这一结果表明，微孔结构在某些反应条件下可能更有利于金属分散和反应物的吸附。然而，值得注意的是，尽管微孔结构在特定反应中具有优势，但并没有发现单一的孔结构参数（如比表面积或介孔比）与催化活性之间存在明确的正相关关系。这说明催化活性的提升不仅依赖于单一的孔结构特征，而是需要综合考虑孔径分布、孔隙连通性以及碳表面的化学组成。

此外，研究还指出，活性炭的孔结构不仅影响催化活性，还可能对金属与载体之间的相互作用产生重要影响。例如，在MSR反应中，活性炭的高比表面积和孔隙结构能够促进Ni纳米颗粒的均匀分散，提高反应物在催化剂表面的接触效率。而在CM反应中，活性炭的介孔结构则有助于提高二氧化碳的扩散和吸附能力，从而加快甲烷化反应的进行。这种孔结构对金属分散和反应物扩散的协同作用，使得活性炭成为一种理想的催化剂载体材料。

在实际应用中，活性炭的孔结构调控是实现催化剂性能优化的重要手段。通过选择不同的活化方法，如物理活化、化学活化或物理-化学结合活化，可以制备出具有不同孔结构特性的活性炭材料。例如，物理活化通常在高温下进行，使用蒸汽或CO?作为活化剂，可以得到以微孔为主的活性炭材料。而化学活化则通常在较低温度下进行，使用KOH或K?CO?作为活化剂，可以得到以介孔为主的活性炭材料。此外，物理-化学结合活化方法则能够在一定程度上兼顾微孔和介孔的特性，从而优化催化剂的性能。

从实验数据来看，不同孔结构的活性炭支持材料对MSR和CM反应的影响存在显著差异。这表明，在催化剂设计过程中，需要根据具体的反应需求，选择合适的活性炭支持材料。例如，在MSR反应中，活性炭的高比表面积和良好的孔隙连通性有助于提高氢气的产率，而在CM反应中，活性炭的介孔结构则更有利于二氧化碳的扩散和吸附。因此，对于不同的反应，活性炭支持材料的孔结构设计需要有所区别，以实现最佳的催化性能。

本研究的发现对于未来催化剂的设计与开发具有重要的指导意义。首先，它强调了活性炭孔结构在催化反应中的关键作用，为优化催化剂性能提供了理论依据。其次，它揭示了催化活性的提升并非依赖于单一的孔结构参数，而是需要综合考虑孔径分布、孔隙连通性以及碳表面的化学性质。这表明，在实际应用中，不能简单地通过提高比表面积或介孔比来提升催化活性，而应结合多种因素进行综合调控。最后，本研究为活性炭支持材料在绿色能源转化中的应用提供了实验支持，为实现可持续的氢气生产与利用提供了新的思路。

总的来说，活性炭作为一种重要的催化剂载体材料，在MSR和CM反应中展现出独特的性能优势。其孔结构的调控能力使其能够适应不同的反应需求，从而提高催化效率。然而，催化活性的提升并非单一因素决定，而是需要综合考虑多种结构和化学特性。因此，未来的研究应进一步探索活性炭支持材料的多尺度特性，以实现更高效的催化反应。同时，还需要结合实际应用场景，开发更加经济、环保的催化剂支持材料，为实现绿色能源转型提供坚实的支撑。