La2 O3 壳层修饰Ni/SiO2 核壳催化剂在甲烷干重整中的促进机制与性能优化研究

为解决Ni基催化剂在甲烷干重整（DRM）中易烧结和积碳的问题，研究人员通过浸渍-分解法制备了核壳结构Ni/SiO2 @La2 O3 催化剂。研究发现La2 O3 壳层通过形成LaNiO3 钙钛矿和限制效应显著提升抗烧结能力（kd 降低至0.0198–0.0276 h?1 ），同时促进CH4 分解与CO2 解离的协同作用，使CH4 活性提高至24.3 mmol?(min?m2 ?g)?1 Ni。该研究为设计高性能核壳催化剂提供了重要指导。

　　

研究背景与意义
全球变暖与碳排放问题日益严峻，甲烷（CH₄
）和二氧化碳（CO₂
）的协同转化成为研究热点。甲烷干重整（Dry Reforming of Methane, DRM）可将这两种温室气体转化为合成气（H₂
+CO），兼具环保与经济价值。然而，传统Ni基催化剂在高温（700–1000 °C）下易因烧结和积碳失活，其中CH₄
分解（ΔH_298K
⁰
=+75 kJ?mol^?1
）产生的碳物种难以被CO₂
解离（C=O键能750 kJ?mol^?1
）的活性氧及时清除，导致催化剂性能快速衰减。如何通过材料设计实现抗烧结与抗积碳的平衡，成为DRM催化剂开发的核心挑战。

研究设计与方法
陕西师范大学的研究团队提出以La₂
O₃
为壳层修饰Ni/SiO₂
核壳催化剂，通过浸渍-分解法（以甘氨酸、丝氨酸和精氨酸为络合剂）制备Ni/SiO₂
@La₂
O₃
系列材料。采用XRD、H₂
-TPR、TEM等技术表征催化剂结构，通过连续程序升温表面反应（TPSR）分析CH₄
/CO₂
活化行为，并在700 °C、0.1 MPa、CH₄
/CO₂
=1、GHSV=60000 mL?g^?1
?h^?1
的苛刻条件下评估DRM性能。

研究结果

1. 催化剂结构与形貌
   XRD证实La₂
   O₃
   壳层与Ni物种反应生成LaNiO₃
   钙钛矿，TEM显示La₂
   O₃
   完整包覆Ni/SiO₂
   核心。尽管壳层导致Ni分散度下降，但H₂
   -TPR表明LaNiO₃
   还原生成的金属Ni具有更高活性。

2. DRM性能提升
   Ni/SiO₂
   @La₂
   O₃
   -Gly的CH₄
   活性达24.3 mmol?(min?m²
   ?g)^?1
   Ni，显著高于未修饰样品（17.8 mmol?(min?m²
   ?g)^?1
   Ni）。稳定性测试中，其失活速率（k_d
   =0.0198 h^?1
   ）较Ni/SiO₂
   （k_d
   =0.0512 h^?1
   ）降低60%。

3. 抗积碳机制
   TPSR证明La₂
   O₃
   壳层同时促进CH₄
   分解（加速碳生成）和CO₂
   解离（加速碳消除），形成动态平衡。LaNiO₃
   还原产生的金属Ni是这一协同效应的关键活性位点。

结论与展望
该研究揭示了La₂
O₃
壳层通过“限域效应抗烧结”和“双功能活化抗积碳”的双重机制提升DRM性能，为设计高效核壳催化剂提供了新思路。未来可进一步优化壳层组成与厚度，探索其在工业反应器中的规模化应用潜力。论文发表于《Molecular Catalysis》，对碳中和目标下的催化剂开发具有重要参考价值。