铜掺杂镍基水滑石衍生催化剂在低温CO2 甲烷化中的高效催化机制与性能优化

针对CO2 低温转化效率低的问题，研究人员通过尿素水解法制备了NiCu-Al2 O3 双金属催化剂（NCA-x），探究Ni/Al比例与Cu掺杂对催化性能的影响。结果表明，NCA-3.5在300°C下实现82.6%的CO2 转化率和44.57 mmol·g-1 ·h-1 的甲烷时空产率，且稳定性优异。该研究为碳减排和清洁能源生产提供了高效催化剂设计策略。

　　

论文解读

研究背景与意义

全球化石燃料的过度使用导致CO₂
排放激增，加剧气候变化。CO₂
作为最廉价的C1资源，其催化转化为高附加值化学品（如甲烷）成为研究热点。其中，CO₂
甲烷化（Sabatier反应）因产物CH₄
的商业价值及环境效益备受关注。然而，CO₂
分子稳定性高，低温下活化困难，且传统贵金属催化剂（如Ru、Rh）成本高昂。镍基催化剂虽成本较低，但易发生金属团聚和积碳失活。因此，开发低温高效、高稳定性的非贵金属催化剂成为关键挑战。

研究方法与技术

沈阳工业大学的研究团队采用尿素水解法制备了NiCuAl三金属水滑石（LDH）前驱体，通过调控Ni/Al比例（1.5、3.5、5）合成NCA-x催化剂。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、CO₂
-程序升温脱附（CO₂
-TPD）、X射线光电子能谱（XPS）和H₂
-程序升温还原（H₂
-TPR）等技术表征催化剂结构，并在固定床反应器中评估CO₂
甲烷化性能（条件：0.1 MPa，280-300°C）。

研究结果与发现

1. 催化剂结构分析：Cu掺杂显著抑制Ni颗粒团聚，NCA-3.5比表面积达187 m²
   /g，且表面Ni⁰
   含量高达6%。XRD显示Ni/Al比例提高可增强结晶度，而Cu引入优化了金属分散性。
2. 催化性能：NCA-3.5在300°C下CO₂
   转化率达82.6%，甲烷选择性>99%，时空产率为44.57 mmol·g^-1
   ·h^-1
   ，优于对比样品NA（无Cu）和CA（无Ni）。72小时稳定性测试中，转化率无衰减，且280°C下仍保持81.9%的高活性。
3. 机理探讨：CO₂
   -TPD证实Cu掺杂增加了中强碱性位点数量，促进CO₂
   吸附活化；H₂
   -TPR表明Cu加速了NiO还原，提升活性位点密度。

结论与意义

该研究通过Ni/Al比例调控与Cu掺杂协同优化，实现了LDH衍生催化剂在低温CO₂
甲烷化中的高效性与稳定性突破。NCA-3.5的高性能归因于其大比表面积、高Ni⁰
分散度及优化的表面碱性，为工业级碳减排催化剂设计提供了新思路。论文发表于《Materials Today Energy》，成果对推动可再生能源制氢与CO₂
资源化利用具有重要实践价值。