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在构建碳中和社会背景下，生物质合成气升级备受关注。研究人员利用密度泛函理论（DFT）研究 Re 促进 Ni 催化剂上的水汽变换与甲烷化（shift-methanation）反应路径。发现二者在不同表面路径有差异，为该技术发展提供理论依据。
在全球积极迈向碳中和的浪潮中，生物质资源的高效利用成为科研领域的热门话题。将生物质转化为能源产品，不仅能缓解全球能源危机，还能减少对煤炭、石油和天然气等传统化石燃料的依赖。生物质气化技术凭借低成本、高效率和可调节规模等优势，逐渐崭露头角。通过该技术，生物质被转化为合成气，其主要成分包括 CO、H?、CH?、CO?和 N? 。合成气用途广泛，既可以用于燃烧发电、供热，也能用于合成增值产品。
然而，生物质合成气存在高 CO 含量（>30%）和低热值（<10 MJ/Nm3 ）的问题，严重限制了它的广泛应用。为了解决这一难题，科研人员提出了水汽变换与甲烷化协同反应（shift-methanation）的方案。该方案通过水汽变换（WGS）提高 H?/CO 比，促进甲烷化反应，有效降低 CO 含量，提升合成气的热值。此前研究发现，Ni-Re 双金属催化剂对 shift-methanation 反应具有良好活性，但反应的微观路径和 Re 助剂对反应能垒的具体影响尚不明确。
为了深入探究这些问题，来自多个研究机构（原文未明确具体机构名称）的研究人员开展了相关研究。他们运用密度泛函理论（DFT），对在 Ni (1 1 1) 和 Re-Ni (1 1 1) 表面上的 shift-methanation 反应进行了详细研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》。
研究人员运用的主要关键技术方法为密度泛函理论（DFT）计算。该方法能够从分子层面深入分析化学反应过程，为研究提供精确的反应机理信息。
反应方案（Reaction schemes）
研究人员详细阐述了 shift-methanation 的反应方案。在反应中，水汽变换的反应物 H?和甲烷化的反应物 H?O 被认为仅分解为基本的 H、OH 和 O 自由基参与基元反应。而从气相 CO 开始的反应机制较为复杂，水汽变换中吸附的 CO 物种可能有三种反应方向，分别为氧化还原（Redox）路径、羧基路径和甲酸盐路径；甲烷化路径则包括解离路径和缔合路径。
单吸附质比较（Single adsorbate comparison）
研究人员对比了单吸附质在 Ni (1 1 1) 和 Re-Ni (1 1 1) 表面的吸附能和优先吸附位点。结果显示，CO?、CH?和 H?等完整分子在两种表面的吸附能都相对较小，一般在 - 0.08 到 -0.002 eV 之间，表明分子与表面的接触较弱。
结论（Conclusions）
通过 DFT 计算，研究人员揭示了生物质合成气升级中 shift-methanation 反应的潜在路径以及 Re 掺杂剂的作用。水汽变换可能路径包括氧化还原、羧基和甲酸盐路径，甲烷化路径有解离和缔合两种类型。研究发现，甲烷化在两种表面都遵循缔合路径，而水汽变换在 Ni (1 1 1) 表面遵循甲酸盐路径，在 Re-Ni (1 1 1) 表面则遵循氧化还原路径。这种差异可通过过渡态（TS）结构的键极性和终态（FS）的杂化程度来解释。
该研究从微观角度揭示了反应路径和 Re 助剂的作用，为生物质合成气升级技术的发展提供了重要的理论依据，有助于科研人员进一步优化催化剂设计，提高 shift-methanation 反应的效率，推动生物质能源的高效利用，在碳中和背景下具有重要的现实意义。
