三维有序介观-大孔结构镍基催化剂的笼效应提升甲烷干重整抗积碳性能

针对镍基催化剂在甲烷干重整反应(DRM)中易积碳失活的问题，研究人员通过蒸发诱导自组装胶晶模板法构建了三维有序介观-大孔γ-Al2O3负载镍纳米颗粒(Ni/3DOMM-Al2O3)。该独特结构通过笼效应增强反应物与活性位点碰撞概率，650oC下CH4和CO2转化率分别达90%和93%，并实现100小时稳定运行，为工业应用提供了抗积碳新策略。

　　

论文解读

甲烷作为天然气、页岩气的主要成分，其高效转化对能源利用具有重要意义。甲烷干重整反应(DRM)能够将CH₄和CO₂两种温室气体转化为合成气(H₂/CO≈1)，是费托合成的重要原料。然而，镍基催化剂在高温下易发生积碳和金属烧结，导致快速失活。传统介孔结构虽能提高金属分散度，但积碳会堵塞孔道；单纯大孔结构又难以提供足够活性位点。如何平衡结构特性与催化性能，成为DRM工业化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队创新性地设计了三维有序介观-大孔(3DOMM)γ-Al₂O₃负载镍纳米颗粒催化剂。通过蒸发诱导自组装胶晶模板法(EISA-CCT)和初湿浸渍法(IWI)构建分级孔道结构，其独特的"笼式反应器"不仅促进反应物扩散，还通过空间限域效应抑制积碳形成。实验表明，该催化剂在650^oC下展现卓越活性，CH₄和CO₂转化率分别稳定在90%和93%，且连续运行100小时未明显失活。

关键技术方法
研究采用蒸发诱导自组装胶晶模板法构建3DOMM-Al₂O₃载体，通过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球模板形成大孔骨架，同时引入F127介孔模板剂。镍活性组分通过初湿浸渍法负载，结合X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线吸收精细结构(XAFS)表征材料结构，并采用密度泛函理论(DFT)计算揭示反应机理。

研究结果

1. 材料表征：TEM显示3DOMM-Al₂O₃具有200-300 nm大孔腔体，孔壁分布5 nm介孔，比表面积达210 m²/g。XAFS证实镍以5-8 nm纳米颗粒均匀分散，与载体形成强金属-载体相互作用(SMSI)。

2. 催化性能：对比传统介孔(Mes-Al₂O₃)和单纯大孔(3DOM-Al₂O₃)催化剂，Ni/3DOMM-Al₂O₃在650^oC展现最高活性，且积碳量降低60%。热重分析显示其积碳氧化温度比对照组低80^oC。

3. 机理研究：DFT计算表明3DOMM结构促进OCH中间体形成，其笼效应使碳纳米管与孔壁接触效率提升3倍，加速碳氧化反应(C+O→CO)。

结论与意义
该研究通过精巧的3DOMM结构设计，实现了反应物扩散、活性位点暴露与积碳消除的协同优化。其创新点在于：(1)大孔骨架确保传质效率，(2)介孔壁提高镍分散度，(3)球形腔体形成动态"碳氧化微反应器"。这一成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为工业DRM催化剂开发提供了新思路，同时为多孔材料在能源催化领域的应用拓展了理论边界。