基于Simplex-Centroid混合设计优化Ni基多金属催化剂实现高效CO2 甲烷化

针对CO2 甲烷化反应中催化剂活性不足、选择性差等问题，研究人员通过Simplex-Centroid Mixture Design（SCMD）系统优化Ni-Ce-Al2 O3 催化剂组分，开发出AlNi9.2 Ce8.3 催化剂，在350°C下实现78% CO2 转化率和99% CH4 选择性，结合Y2 O3 改性使性能进一步提升至89%转化率，为碳循环技术提供高效解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，二氧化碳（CO₂
）减排成为紧迫课题。工业活动排放的CO₂
占总量70%以上，而碳捕集与利用（CCUS）技术中，CO₂
甲烷化（Sabatier反应）可将CO₂
转化为可再生的甲烷（CH₄
），兼具减排与能源储存双重价值。然而该技术面临核心挑战：传统镍（Ni）基催化剂易烧结、易形成惰性NiAl₂
O₄
尖晶石，且在高温下选择性下降。

为突破这些限制，研究人员通过Simplex-Centroid Mixture Design（SCMD）系统设计Ni-Ce-Al₂
O₃
催化剂，并引入Y₂
O₃
改性载体。研究采用湿法浸渍制备催化剂，通过ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）验证组分，结合XRD（X射线衍射）、H₂
-TPR（氢气程序升温还原）和CO₂
-TPD（CO₂
程序升温脱附）分析结构特性，在固定床反应器中评估催化性能。

Ni含量筛选
通过测试5-25 wt% Ni负载量，发现10 wt% Ni/γ-Al₂
O₃
（AlNi₁₀
）在450°C实现最高45% CO₂
转化率。过量Ni导致颗粒聚集，活性下降。

助剂选择
对比Ce、La、Fe等助剂，10 wt% Ce修饰的AlNi₁₀
Ce₁₀
表现最佳，低温活性显著提升（350°C下74%转化率），归因于CeO₂
的氧空位促进CO₂
吸附和Ni分散。

SCMD优化
三元设计确定AlNi_9.2
Ce_8.3
为最优配比，Ni晶粒尺寸缩小至6.41 nm（Scherrer方程计算），Ce³⁺
/(Ce³⁺
+Ce⁴⁺
)达0.97（XPS分析），氧空位密度增加使350°C转化率提升至78%。

Y₂
O₃
改性
5 wt% Y₂
O₃
掺杂的Al-Y₅
Ni_9.2
Ce_8.3
催化剂展现突破性性能：Ni晶粒进一步减小至4.32 nm，H₂
吸附量达2199 μmol·g^-1
，300°C下转化率89%。Y₂
O₃
抑制尖晶石形成，并通过Y-O-Ni界面增强电子转移（XPS证实O_latt
比例升至3.05）。

稳定性验证
16小时测试显示，Y₂
O₃
改性催化剂碳沉积仅0.35%（TGA分析），远低于未改性样品（2.36%）。XRD证实其NiAl₂
O₄
峰强度最低，表明结构稳定性优异。

该研究通过SCMD与载体工程的协同创新，开发出兼具高活性、选择性和稳定性的催化剂体系。Al-Y₅
Ni_9.2
Ce_8.3
在工业级空速（75000 mL·g^-1
·h^-1
）下性能超越文献报道值，为CO₂
规模化转化提供关键技术支撑。论文发表于《Journal of CO₂
Utilization》，为碳中和目标下的催化材料设计树立了新范式。