羟基磷灰石负载镍催化剂在甲烷蒸汽重整制氢中的实验研究与统计分析

为解决甲烷蒸汽重整(MSR)过程中镍催化剂易积碳和烧结的问题，研究人员创新性地采用羟基磷灰石(HAp)作为载体，通过浸渍法制备了不同镍负载量(5-15 wt%)的Ni/HAp催化剂。研究通过N2物理吸附、X射线衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)和透射电镜(TEM)等表征手段，结合多线性回归(MLR)模型优化工艺参数，发现10 wt% Ni/HAp催化剂在800°C、H2O/CH4=1.5条件下连续运行98小时仍保持99%甲烷转化率和90%氢产率，且无积碳现象。该研究为开发高效稳定的非贵金属催化剂提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。甲烷蒸汽重整(MSR)是目前工业制氢的主流技术，但其核心催化剂面临两大瓶颈：贵金属(Pt、Rh等)成本高昂，而廉价镍催化剂又易因积碳和烧结失活。传统氧化铝等载体在高温下易与活性组分发生强相互作用，导致金属分散度下降。如何通过载体设计同时解决积碳和烧结问题，成为催化领域的重要挑战。

针对这一难题，加拿大研究团队创新性地将生物相容性材料羟基磷灰石(HAp)引入催化领域。HAp具有独特的Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂结构，其表面碱性位点(PO₄^3-/OH^-)可促进水分子吸附以抑制积碳，热稳定性高达1000°C以上，且可通过Ca/P比调节酸碱性质。研究人员采用初湿浸渍法制备了5-15 wt% Ni负载的HAp催化剂，通过ICP-OES、N₂吸附-脱附、XRD、H₂-TPR、TEM和TGA等技术系统表征了催化剂物化性质，并建立MLR模型优化反应参数。

催化剂表征结果
ICP-OES显示HAp载体Ca/P比为1.4，属缺钙型结构。TPR谱图中380-425°C和600-680°C的还原峰分别对应表面NiO和晶格Ni²⁺的还原，10Ni/HAp表现出最高H₂消耗量(69 cm³/g)和分散度(2%)。STEM显示5-10 wt%样品中Ni分布均匀，而15 wt%样品出现团聚。BET测试表明10Ni/HAp比表面积达54 m²/g，优于15 wt%样品(48 m²/g)。XRD证实煅烧后催化剂中NiO呈面心立方晶相，反应后出现金属Ni⁰和β-磷酸三钙(β-TCP)新相。

反应性能分析
MLR模型揭示温度(T)、空速(SV)和进料比(H₂O/CH₄)对氢产率(YH₂)的显著影响，其交互项系数β₁₂=-0.08表明高温下过高水碳比反而不利。在800°C、SV=16025 cm³/(g·h)、H₂O/CH₄=1.5条件下，10Ni/HAp的YH₂达90%，接近热力学平衡值(87.57%)。长期测试显示该催化剂98小时内保持99%甲烷转化率，TEM-EDS未检测到积碳，TGA仅观测到3.5%质量增加(源于Ni氧化)。

该研究证实HAp载体通过强金属-载体相互作用(SMSI)和表面碱性位点的协同效应，既能稳定分散镍纳米颗粒(平均粒径2nm)，又能通过氧空位消除积碳前驱体。相比传统Rh/Al₂O₃催化剂，10Ni/HAp在更低水碳比(1.5 vs 3-4)下实现同等活性，大幅降低能耗成本。这一成果为设计新型抗积碳重整催化剂提供了理论依据，对推进非贵金属催化剂工业化应用具有重要意义。论文发表于催化领域权威期刊《Catalysis Today》，为绿色制氢技术开发提供了新思路。