优化镍负载量提升Ni-CeZrO2催化剂在塑料热解油升级中的十二烷蒸汽重整制氢性能

为解决塑料污染和清洁氢能生产问题，研究人员通过共沉淀法合成不同Ni负载量（1-10 wt%）的Ni-CeZrO2催化剂，用于十二烷蒸汽重整反应。结果表明，5 wt% Ni-CeZrO2因平衡了Ni0活性位点、氧存储容量（OSC）和金属-载体相互作用（SMSI），展现出最高氢产率和稳定性，为废塑料化学回收提供了高效催化方案。

　　

研究背景

全球塑料污染问题日益严峻，联合国环境大会提出2024年前制定具有法律约束力的国际塑料协议。塑料热解油作为化学回收的关键产物，其轻质组分因闪点低难以直接利用，亟需开发高值化转化路径。其中，十二烷（C₁₂H₂₆）作为热解油轻质馏分的模型化合物，通过蒸汽重整制氢既能解决废塑料处置难题，又能满足清洁能源需求。然而，传统镍基催化剂易因积碳失活，且活性金属负载量的优化缺乏系统研究。

研究方法

韩国某研究团队通过共沉淀法制备了Ni负载量1-10 wt%的Ni-Ce_0.8Zr_0.2O₂催化剂，采用BET、XRD、H₂-TPR、XPS等技术表征物化性质，并在750°C、GHSV=133,950 mL·g_cat^-1·h^-1条件下评估催化性能。通过TPO和Raman分析反应后催化剂的积碳行为。

研究结果

3.1 催化剂表征

• 孔结构与活性位点：5 wt% Ni-CeZrO₂具有介孔结构（BET表面积为57 m²/g）和适中的Ni⁰活性位点数量（6.1×10^-7 gmol/g_cat）。
• 氧化还原性能：H₂-TPR显示5 wt%样品在高温区（约580°C）存在强金属-载体相互作用（SMSI），XPS证实其Ce³⁺浓度最高（48.8%），氧空位比例达58%。

3.2 反应性能
5 wt%催化剂表现出最优的氢产率（54%）和十二烷转化率（90%），50小时稳定性测试中衰减最小，而10 wt%样品因积碳（TPO显示3.783 mmol/g）快速失活。

3.3 积碳分析
Raman谱中5 wt%催化剂的I_D/I_G比值最低（1.20），表明其积碳以易去除的石墨碳为主，而10 wt%样品因OSC不足导致无定形碳堆积（I_D/I_G=1.91）。

结论与意义

该研究明确了5 wt%为Ni-CeZrO₂催化剂的最优负载量，其通过平衡活性位点数量与氧空位浓度，实现了高效制氢与抗积碳性能的统一。成果发表于《Fuel Processing Technology》，为废塑料资源化提供了可工业化的催化方案，同时为长链烷烃重整催化剂设计提供了理论依据。