钙源调控的Ni-Ca-Al双功能材料结构优化及其在吸附强化甲烷蒸汽重整中的性能突破

本研究针对能源短缺与CO2 减排双重挑战，通过层状双氢氧化物（LDH）前驱体设计，开发了以硝酸钙和氯化钙为钙源的Ni-Ca-Al双功能材料（NCABs）。研究发现，硝酸钙源材料（NCABNs）凭借金属元素强相互作用实现Ni纳米颗粒最小化（粒径<10 nm）和超高分散度，在吸附强化甲烷蒸汽重整（SESMR）中展现出突破性性能：预穿透阶段氢气产率达95.83%，甲烷转化率99.38%，10次循环测试中CO2 吸附浓度稳定在3%左右。该工作为清洁氢能生产提供了新型高效催化剂-吸附剂集成系统。

　　

全球能源危机与气候变暖的双重压力下，传统甲烷蒸汽重整技术（SMR）面临两大痛点：每消耗1kg CH₄
就产生3kg CO₂
，且产物中H₂
纯度仅70%左右。吸附强化甲烷蒸汽重整（SESMR）通过原位捕获CO₂
打破反应平衡限制，可将H₂
浓度提升至95%以上，但其核心瓶颈在于缺乏兼具高催化活性和稳定CO₂
吸附能力的双功能材料。

四川某研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地采用层状双氢氧化物（LDH）前驱体策略，通过调控钙源（硝酸钙vs氯化钙）制备了Ni-Ca-Al双功能材料。研究发现，硝酸钙源材料（NCABNs）在高温分解时释放的额外CO₂
气体可构建更发达的多孔结构，使Ni纳米颗粒尺寸最小化至5-10 nm，并形成Ca-Ni-Al-O固溶体。这种独特的结构使材料在550°C的低温SESMR反应中即实现近100%的CH₄
转化率，且10次循环后CO₂
吸附容量仍保持初始值的90%以上。

研究团队运用X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）、氢气程序升温还原（H₂
-TPR）等表征技术，结合固定床反应器性能测试，系统揭示了钙源选择对材料性能的影响机制。关键发现包括：硝酸钙源材料中Ni²⁺
的还原温度比氯化钙源材料低50°C，表明其更易被活化；拉曼光谱显示NCABNs的积碳石墨化程度（I_D
/I_G
=1.4）显著低于对照组，说明其抗积碳能力优异。

研究结果部分显示：

1. LDH前驱体表征：两种钙源均成功构建层状结构，但硝酸钙源样品在2θ=11.7°的特征峰更尖锐，显示更高结晶度。
2. 还原性能分析：H₂
   -TPR证实NCABNs存在两个还原峰（375°C和650°C），分别对应表面NiO和固溶体中Ni²⁺
   的还原。
3. 反应性能测试：NCABNs在预穿透阶段产出气体组成为H₂
   （95.83%）、CH₄
   （0.62%），CO₂
   捕获效率达理论值的92%。
4. 循环稳定性：10次SESMR-再生循环后，NCABNs的BET比表面积仅下降8.7%，而传统浸渍法制备材料下降达35%。

该研究的突破性在于：首次通过钙源调控实现了LDH衍生材料中Ni纳米颗粒尺寸与CO₂
吸附位点的协同优化。Mengjin Xu等提出的"气体模板法"（高温分解硝酸盐释放CO₂
造孔）为双功能材料设计提供了新思路，其材料在低温（550-650°C）下的卓越性能使SESMR过程能耗降低约30%。这些发现不仅适用于甲烷重整，对生物质气化、甘油重整等CO₂
原位捕获过程同样具有指导价值。