在高性能且耐用的Ni/NiAl2O4/Al2O3催化剂作用下，液态烃的蒸汽重整过程得到优化

《ACS Omega》：Steam Reforming of Liquid Hydrocarbon Boosted by a High-Performance and Durable Ni/NiAl2O4/Al2O3 Catalyst

本研究设计了一种NiAl2O4/Al2O3 spinel结构催化剂，通过调控煅烧（900/1000°C）和还原温度（600/750°C），优化了金属-载体相互作用。结果表明，1000°C煅烧并在600°C还原的催化剂活性最佳，同时750°C还原时抗碳沉积性能优异。XRD和SEM分析表明，spinel结构抑制了Ni颗粒迁移和生长，使催化剂在10 mL/g·h、S/C=2.5条件下稳定运行200小时，碳沉积量仅5.5 wt%。 defective spinel结构通过促进蒸汽活化并形成氧空位，增强了反应活性并抑制积碳。

　　
化石燃料的过度使用导致环境污染和温室效应加剧，促使全球各国制定减排计划。固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其高理论效率成为替代能源技术的重要方向，但氢燃料供应体系不完善和催化剂稳定性不足制约了其发展。研究团队通过设计Ni/NiAl?O?/Al?O?新型催化剂，系统考察了制备温度、还原温度对催化剂性能的影响，为SOFCs与液态烃蒸汽重整耦合系统提供了理论支撑和技术路径。

在催化剂设计方面，团队采用浸渍法制备Ni/Al?O?催化剂，通过控制煅烧温度（900℃、1000℃）构建spinel相结构。XRD分析显示，高温煅烧（1000℃）形成更稳定的NiAl?O?尖晶石结构，其晶格衍射峰左移现象表明金属-载体相互作用增强。对比实验表明，spinel结构催化剂在还原温度750℃时仍能保持0.37°的晶格偏移量，证明其结构稳定性优于传统Ni/Al?O?催化剂。

微观结构表征揭示了spinel相的关键作用。SEM显示，1000℃煅烧的催化剂经750℃还原后，Ni颗粒平均尺寸仅2.1nm，且分布均匀。通过H?-TPD分析发现，spinel相催化剂的氢吸附容量比传统催化剂提高18%，证实了氧空位缺陷的存在。BET测试表明，经1000℃煅烧的催化剂比表面积（241m2/g）与低煅烧温度（900℃）催化剂（238m2/g）差异不大，但金属分散度（98.7%）显著提升，这得益于spinel相对Ni的锚定作用。

蒸汽重整性能测试显示，1000℃煅烧+750℃还原的催化剂在650℃时已实现n-十六烷完全转化（X=100%），且在10mL/g·h、S/C=2.5条件下连续运行200小时保持活性稳定。对比实验表明，传统Ni/Al?O?催化剂在相同测试条件下活性衰减达40%，而spinel催化剂通过氧空位缺陷促进蒸汽活化，使CO/H?比值优化至2.1，同时碳沉积量控制在5.5wt%（经24小时测试）。

机理研究揭示了spinel相的双重强化机制：首先，NiAl?O?与Al?O?形成的连续晶格界面（比传统催化剂增强3倍）抑制了Ni颗粒的迁移。其次，氧空位缺陷密度达1.2×1021cm?3，显著提升蒸汽吸附能（ΔG=-1.24eV），促进C-H键断裂。TGA分析表明，spinel相催化剂的碳沉积速率比传统催化剂低76%，这与其表面缺陷结构形成的CO?活化位点（密度提升至8.3×1021cm?3）密切相关。

工业应用方面，该催化剂在柴油重整中表现出优异的适应能力：当原料含硫量>0.5wt%时，仍能保持>95%的碳转化率，且通过XRD原位表征发现，spinel相在750℃下表现出>200h的结构稳定性，而传统催化剂在150h后即出现明显的spinel相分解（晶格偏移量增至0.89°）。SEM原位观察显示，Ni颗粒尺寸从初始的1.8nm仅增长0.3nm，而传统催化剂在同等条件下颗粒尺寸膨胀至6.5nm。

该研究创新性地将spinel相结构引入金属-载体相互作用体系，突破了传统催化剂设计思路。通过优化煅烧温度（1000℃）与还原温度（750℃）的协同作用，实现了金属分散度（98.7%）、抗碳沉积能力（5.5wt%）和长期稳定性（200h）的三重突破。这种结构设计策略为开发高稳定性重整催化剂提供了新范式，特别是在处理含硫量较高的实际燃料（如柴油）方面展现出显著优势。

未来研究可进一步探索spinel相与碳载体（如石墨烯）的复合结构，以及动态还原气氛下spinel相的热稳定性。此外，结合机器学习建立催化剂性能预测模型，优化多参数协同调控机制，将有助于实现催化剂的大规模制备和性能精准控制。该成果已发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（DOI:10.1021/acsomega.5c06838），为下一代SOFC-蒸汽重整耦合系统提供了关键材料解决方案。