镧氧碳酸盐在树枝状纤维Ni/CHE-La催化剂中增强CO2 解离促进低温甲烷重整的作用机制研究

针对低温CO2 重整甲烷（CRM）中催化剂易烧结和积碳的难题，研究人员通过微乳液种子结晶法开发了负载镍氧化物的树枝状纤维镧硅催化剂（Ni/CHE-La）。该催化剂通过镧氧碳酸盐（La2 O2 CO3 ）与表面活性氧物种的协同作用，显著提升CO2 解离效率并降低CH4 表观活化能，在600°C下稳定运行18小时，展现出优异的抗烧结和抗积碳性能，为低碳能源技术提供了新策略。

　　

研究背景与意义

全球能源转型背景下，温室气体CO₂
和CH₄
的高效转化成为研究热点。CO₂
重整甲烷（CRM）可将两者转化为合成气（H₂
/CO），兼具环境与能源价值。然而，传统CRM需高温（>800°C）驱动，能耗高且催化剂易因烧结和积碳失活。低温CRM虽能降低能耗，但面临CO₂
和CH₄
活化能高、热力学倾向积碳（如Boudouard反应：2CO?C+CO₂
，ΔH_298K
=-171 kJ/mol）等挑战。

为解决上述问题，马来西亚理工大学的研究团队创新设计了一种树枝状纤维镧硅负载镍催化剂（Ni/CHE-La），通过调控镧氧碳酸盐（La₂
O₂
CO₃
）与表面活性氧物种的协同效应，显著提升低温（400-800°C）CRM性能。该成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为低碳催化技术提供了新思路。

关键技术方法

研究采用微乳液种子结晶法合成树枝状纤维镧硅载体，通过湿浸渍负载NiO；对比制备常规Ni/KCC-1和未结构修饰的Ni/SiLa催化剂。利用XRD、FTIR、H₂
-TPR（程序升温还原）、HRTEM（高分辨透射电镜）和XPS（X射线光电子能谱）表征材料结构；通过固定床反应器评估催化性能，结合再生实验和积碳分析验证稳定性。

研究结果

结构特性与金属-载体相互作用

Ni/CHE-La的XRD显示典型树枝状硅无定形峰（23°）和NiO晶相峰（37.3°-79.4°）。La₂
O₂
CO₃
相的存在通过FTIR在1480 cm^-1
（CO₃
^2-
振动）确认。H₂
-TPR表明Ni/CHE-La的还原峰向低温偏移，证实La修饰增强金属-载体相互作用，抑制Ni烧结。HRTEM显示Ni颗粒尺寸<5 nm，均匀分散于纤维表面。

表面化学与氧物种活性

XPS揭示Ni/CHE-La的氧空位浓度显著高于对照组（Ni/CHE-La > Ni/KCC-1 > Ni/SiLa），其表面活性氧物种（O_ads
）占比达38.5%，促进CO₂
解离为CO。La₂
O₂
CO₃
通过动态转化（La₂
O₃

• CO₂
  ? La₂
  O₂
  CO₃
  ）持续提供活性氧，清除积碳前驱体。

催化性能与稳定性

在600°C下，Ni/CHE-La的CH₄
和CO₂
转化率分别达72%和68%，表观活化能较Ni/KCC-1降低25%。18小时稳定性测试后活性无衰减，积碳量仅为1.2 wt%（Ni/SiLa为15 wt%）。再生实验表明催化剂结构稳定，Ni颗粒未明显聚集。

结论与展望

该研究证实树枝状纤维结构结合La₂
O₂
CO₃
可协同提升低温CRM性能：

1. 双功能机制：La₂
   O₂
   CO₃
   促进CO₂
   解离，氧空位加速CH₄
   C-H键断裂；
2. 抗失活设计：纤维形貌限制Ni迁移，La修饰增强金属锚定；
3. 工业潜力：低温操作（600°C）与长周期稳定性（>18 h）契合节能需求。

未来可进一步探索La₂
O₂
CO₃
与过渡金属的界面工程，优化氧物种迁移率，推动CRM技术商业化应用。