多孔载体表面氨基功能化策略构建高效分散镍基CO2甲烷化催化剂

针对镍基催化剂在CO2甲烷化反应中低温活性不足和高温烧结等问题，研究人员通过氨基功能化修饰SBA-15、MCM-41等多孔载体，实现了Ni纳米颗粒的高度分散。该研究通过XRD、TEM、in-situ DRIFTS等技术证实，氨基锚定策略显著提升催化剂低温活性（280°C时CO2转化率从22.2%增至55.4%），为CO2资源化利用提供了普适性解决方案。

　　

全球变暖背景下，CO₂减排成为紧迫课题。尽管碳捕集与封存（CCS）技术已取得进展，但其高成本与泄漏风险限制了应用。相比之下，CO₂催化转化（如甲烷化反应）既能减少排放又可生产燃料，更具双重效益。然而，该反应面临巨大挑战：CO₂分子稳定的C=O键（键能782.5 kJ/mol）导致低温转化困难，而常用镍基催化剂又易在高温下烧结失活。如何兼顾低温活性与高温稳定性，成为该领域的关键科学问题。

安徽某高校研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地将氨基功能化策略从KCC-1载体拓展至SBA-15、MCM-41等硅基材料及Al₂O₃金属氧化物。通过甲苯回流法在载体表面嫁接氨基，再采用初湿浸渍法负载20 wt% Ni，构建了一系列高效甲烷化催化剂。研究综合运用X射线衍射（XRD）、程序升温还原（H₂-TPR）、原位漫反射红外光谱（in-situ DRIFTS）等表征手段，系统揭示了氨基修饰对催化剂性能的影响机制。

XRD分析
对比功能化前后的载体发现，氨基修饰未破坏SBA-15的六方介孔结构或ZSM-5的MFI型骨架。还原后催化剂中Ni晶粒尺寸显著减小（如20Ni/AF-SBA-15的Ni晶粒仅5.8 nm），证实氨基诱导的限域效应有效抑制了Ni团聚。

TEM与化学吸附
透射电镜显示氨基功能化样品中Ni纳米颗粒均匀分布于载体孔道内，而传统催化剂则出现明显团聚。CO₂-TPD证实氨基修饰增强了表面碱性位点密度，促进CO₂活化；H₂-TPR表明金属-载体相互作用增强，还原温度降低50°C以上。

反应性能突破
在280°C低温下，氨基功能化催化剂（20Ni/AF-SBA-15）的CO₂转化率达55.4%，是对照组（22.2%）的2.5倍。动力学计算显示表观活化能从78 kJ/mol降至62 kJ/mol，证实氨基修饰降低了反应能垒。

机理研究
通过in-situ DRIFTS追踪反应中间体，发现氨基功能化催化剂表面更易形成关键反应中间体HCOO-，并快速加氢转化为CH₃O，最终生成CH₄。而未修饰催化剂则积累大量惰性*CO物种，导致活性低下。

该研究的重要意义在于：首次证实氨基功能化策略对多种载体的普适性，为设计高性能CO₂转化催化剂提供了新思路。通过精准调控金属-载体相互作用，同时解决了镍基催化剂低温活性差与高温稳定性差的矛盾。这种"一石二鸟"的设计理念，不仅适用于甲烷化反应，还可推广至其他多相催化体系，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。研究团队特别指出，未来可进一步探索氨基密度与Ni分散度的定量关系，并考察该策略在工业反应条件下的长期稳定性。