孔道结构与氧空位协同作用：Ni/MSS@CeO2 催化剂在低温DRM中的高效抗积碳机制

为解决Ni基DRM（干重整甲烷）催化剂低温积碳和烧结问题，研究人员通过构建CeO2 壳层与单分散介孔二氧化硅球（MSS）支撑的夹层结构，结合高温H2 还原生成Ce9.33 (SiO4 )6 O2 以增加氧空位密度。结果表明，MSS的独特孔道和CeO2 壳层双重限域效应抑制Ni颗粒烧结，构建更多Ni-O-Ce活性位点，显著降低CH4 /CO2 分解活化能，并在低温高空速下实现30小时稳定运行。该研究为设计高效Ni-SiO2 -CeO2 催化剂提供了新思路。

　　

论文解读

背景与挑战
在全球碳中和目标的推动下，甲烷干重整（DRM）因其能同时转化两种温室气体（CH₄
和CO₂
）为高附加值合成气而备受关注。然而，DRM反应强吸热性导致的高能耗、Ni基催化剂的高温烧结和积碳问题，严重制约其工业化应用。尽管CeO₂
因氧空位（oxygen vacancies）特性可缓解积碳，但如何通过材料结构设计协同提升催化剂的低温活性和稳定性仍是巨大挑战。

研究设计与方法
山西大学的研究团队创新性地提出以具有倒锥形孔道的单分散介孔二氧化硅球（MSS）为支撑层，CeO₂
为壳层，构建夹层结构催化剂Ni/MSS@CeO₂
，并通过高温H₂
还原诱导生成Ce_9.33
(SiO₄
)₆
O₂
以调控氧空位密度。研究对比了非孔SiO₂
支撑的Ni/SiO₂
@CeO₂
，结合X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in situ DRIFT）等技术，系统分析了孔道结构、氧空位与催化性能的关联。

关键结果

1. 物理结构表征：MSS的3.5-13 nm多级孔道显著提升Ni和CeO₂
   分散度，Ni粒径较非孔SiO₂
   支撑体系减小50%。
2. 氧空位调控：高温还原生成的Ce_9.33
   (SiO₄
   )₆
   O₂
   使氧空位密度增加3倍，但MSS支撑的催化剂因低结晶度Ce_9.33
   (SiO₄
   )₆
   O₂
   表现出更优的氧化还原能力。
3. 反应机制：Ni/MSS@CeO₂
   通过HCOO*路径活化CO₂
   ，其氧物种可高效清除CH₄
   裂解产生的碳物种，积碳量较Ni/SiO₂
   @CeO₂
   降低80%。

结论与意义
该研究揭示了孔道结构与氧空位的协同作用机制：MSS的限域效应抑制Ni烧结，而低结晶度Ce_9.33
(SiO₄
)₆
O₂
提供的动态氧空位在低温下高效活化反应分子。这一成果发表于《Applied Catalysis A: General》，为设计兼具高活性和抗积碳能力的DRM催化剂提供了新范式，尤其适用于沼气等低品位甲烷资源的低温转化。