甲烷蒸汽重整反应的热力学与分子动力学机制研究：碳沉积量化与催化剂优化路径

针对镍基催化剂在甲烷蒸汽重整(SRM)中易因碳沉积失活的问题，研究人员通过热力学计算与分子动力学模拟，系统探究了温度、压力及H2 O/CH4 比对目标气体(H2 +CO)产率与碳沉积的影响，提出高性能催化剂宜采用低温低压(1073K,1atm)，普通催化剂适用高温中压(1200K,5atm)的优化方案，为工业应用提供了理论依据。

　　

随着温室效应加剧，实现碳中和成为全球迫切议题。甲烷因其高氢含量与温室气体特性备受关注，而蒸汽重整甲烷(SRM)作为工业制氢主流工艺，贡献了全球48%的氢气产量。然而，镍基催化剂在SRM过程中面临碳沉积导致的快速失活问题，严重制约工艺发展。更棘手的是，现有研究仅能确定碳沉积范围而无法量化其具体量，且针对直接还原铁生产所需特定H₂
/CO比例的还原气研究匮乏。为此，中国北京科技大学的研究团队通过热力学与分子动力学相结合的方法，在《Journal of the Energy Institute》发表研究，首次量化了碳沉积量并揭示了反应路径，为工业催化剂优化提供了精准指导。

研究采用热力学平衡计算构建六组分体系(CO/H₂
O/CO₂
/H₂
/CH₄
/C)，结合分子动力学模拟追踪原子运动轨迹，利用神经网络模型分析反应路径频率。通过调控温度(800-1200K)、压力(1-10atm)和H₂
O/CH₄
比(0.6-1.4)，系统评估了目标气体组成与碳沉积量的变化规律。

热力学计算与分子动力学结果对比
数据表明两种方法呈现一致趋势：目标气体浓度与碳沉积量均与压力、H₂
O/CH₄
比成反比。温度升高促进目标气体生成而抑制碳沉积，其中分子动力学因镍原子数(7200个)远超反应物，更显著放大了碳沉积差异。

反应机理解析
甲烷与水逐步脱氢形成中间体CHO，最终转化为CO。高温下增加水量可有效抑制碳沉积，关键反应路径包括：CH₄
→CH₃
→CH₂
→CH→C的逐步脱氢，以及CHO+OH→CO+H₂
O的氧化过程。

工业参数优化
针对HYL/Energiron直接还原铁工艺，提出两套方案：高性能催化剂采用1073K/1atm条件，普通催化剂选择1200K/5atm。当H₂
O/CH₄
=1.2时，既能保证H₂
/CO≈1.5的理想比例，又可最大限度减少碳沉积。

该研究首次实现碳沉积的精准量化，阐明SRM的原子级反应机制，提出的双模式催化剂方案兼顾效率与经济性。特别是为直接还原铁生产提供了定制化还原气制备策略，推动冶金行业低碳转型。通过揭示水分子在高温下的碳清除作用，为开发抗积碳催化剂指明了方向，对实现氢能大规模工业应用具有里程碑意义。