镍钯双金属纳米团簇催化剂用于甲烷蒸汽重整实现低碳制氢的循环反应系统研究

本研究针对传统甲烷蒸汽重整(SRM)制氢过程中高CO2排放问题，开发了NiPd@Al2O3双金属纳米团簇催化剂，结合循环反应系统，在500℃下实现TOFCH4达1.33 s?1、H2产率196.03 mmol gcat?1h?1，氢产量提升18%且直接碳排放降低22%，为低碳制氢提供了新材料与新工艺。

　　

随着全球氢能需求预计从2020年120 Mt激增至205年530 Mt，传统甲烷蒸汽重整(SRM)制氢工艺的高碳排放问题日益凸显。该过程不仅直接产生CO₂（CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂），还需高温(>750℃)操作导致间接排放，占全球氢产能76%的SRM技术面临可持续发展挑战。尽管新兴电解水、光催化等技术崭露头角，但其规模化瓶颈与复杂制备工艺难以替代化石燃料路线。在此背景下，台湾省清华大学的研究团队通过材料创新与工艺设计双管齐下，开发出NiPd@Al₂O₃双金属纳米团簇催化剂，结合首创的循环反应系统，在《Fuel》发表的研究中实现了高效低碳制氢突破。

研究采用气溶胶辅助合成技术制备催化剂，通过X射线荧光光谱(XRF)和场发射扫描电镜(FE-SEM)表征材料结构，结合密度泛函理论(DFT)计算阐明Pd的催化机制。在500℃反应条件下，系统评估了三种碳捕获利用(CCU)模式：全气体回流、CO分离后回流与传统直排工艺。

材料表征
FE-SEM显示催化剂呈树莓状纳米团簇结构，EDS证实Ni、Pd、Al均匀分散。XRF分析测得实际Ni/Pd摩尔比为4.1:1，X射线光电子能谱(XPS)揭示Pd⁰含量达78.4%，显著提升催化活性。

催化性能
引入Pd使甲烷转化活化能降低，TOF_CH4提升至1.33 s^?1，较纯Ni催化剂提高66%。DFT计算证实Pd优化了速率控制步骤的能垒，H₂产率达196.03 mmol g_cat^?1h^?1，较文献报道Ni-Co合金提高23%。

循环系统效果
条件1（全气体回流）使H₂产量提升18%，直接碳排放降至22%。条件2（CO分离）进一步减少碳沉积，催化剂稳定性延长3倍。

该研究通过Pd掺杂与纳米结构协同效应，将SRM最佳操作温度降低250℃，间接减排效果显著。首创的循环反应系统实现反应物内循环利用，突破传统CCU技术的高能耗瓶颈。这项工作为"蓝氢"技术提供了兼具经济性与减排潜力的解决方案，对实现《巴黎协定》气候目标具有重要实践意义。