三角状多晶氧化铈载镍催化剂在CO氧化与CO2 加氢反应中的协同催化机制研究

本研究针对传统CeO2 载体形貌调控困难的问题，通过溶剂热法合成三角状多晶CeO2 TR载体，并负载Ni活性相制备Ni/CeO2 TR催化剂。研究发现该催化剂在CO2 甲烷化反应中实现75%转化率（380°C）和100%选择性，CO氧化反应中280°C实现完全转化，其优异性能源于CeO2 TR独特的氧空位缺陷和强金属-载体相互作用（SMSI），为设计高效双功能催化剂提供了新思路。

　　

在应对全球气候变化和能源转型的背景下，二氧化碳（CO₂
）的催化转化和一氧化碳（CO）的低温消除成为环境催化领域的研究热点。氧化铈（CeO₂
）因其独特的氧存储能力（OSC）和可逆的Ce³⁺
/Ce⁴⁺
氧化还原对，被广泛用作催化载体。然而，传统CeO₂
载体存在形貌控制困难、二维结构合成方法匮乏等问题，限制了其催化性能的进一步提升。与此同时，镍（Ni）基催化剂虽在CO₂
加氢反应中表现出优异的甲烷选择性，但其低温活性和稳定性仍有待提高。

为解决这些问题，希腊的研究团队创新性地采用溶剂热法合成了三角状多晶CeO₂
（CeO₂
TR）载体，并通过湿法浸渍负载Ni制备了Ni/CeO₂
TR催化剂。研究发现，这种特殊形貌的载体不仅具有115.4 m²
/g的高比表面积，还通过拉曼光谱和XPS证实其富含氧空位缺陷（I_D
/I_F2g
=0.63）和Ce³⁺
物种（44.8%）。在CO₂
甲烷化反应中，该催化剂在380°C下实现75%的CO₂
转化率和100%的CH₄
选择性，性能显著优于商业载体负载的对比样品（56%转化率，84%选择性）。在CO氧化反应中，Ni/CeO₂
TR的T₅₀
（半转化温度）低至135°C，比商业样品降低100°C。

研究采用了多种关键技术方法：通过N₂
吸附-脱附测定材料的比表面积和孔径分布；X射线衍射（XRD）分析晶体结构；场发射扫描电镜（FE-SEM）和透射电镜（TEM）表征形貌特征；拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）检测氧空位和Ce³⁺
浓度；程序升温还原（H₂
-TPR）评估材料的还原性能。

研究结果部分显示：

1. 材料表征：CeO₂
   TR载体呈现清晰的三角片状结构，NiO颗粒平均尺寸28.1 nm。XRD显示Ni掺入导致CeO₂
   晶格收缩（晶格参数从0.5422 nm降至0.5406 nm），证实强金属-载体相互作用。
2. 氧化还原特性：H₂
   -TPR显示Ni/CeO₂
   TR在182-368°C出现三个还原峰，对应不同NiO物种的还原，其表面氧与体相氧消耗比（O_s
   /O_b
   ）达3.0，显著高于商业样品的1.89。
3. 催化性能：在CO₂
   甲烷化中，Ni/CeO₂
   TR的CO₂
   转化率比商业样品提高34%，且24小时稳定性测试无衰减；在CO氧化中，其单位Ni表面积的比活性（r_s,Ni
   ）达21.59 nmol m_Ni
   ^-2
   s^-1
   ，是商业样品的33倍。

研究结论指出，三角状CeO₂
载体的特殊形貌促进了氧空位形成和电子转移，通过Ni-O-Ce界面增强了氢溢流效应。这种结构-性能关系为设计多功能催化剂提供了新思路：一方面，丰富的氧空位加速了CO氧化的Mars-van Krevelen循环；另一方面，Ce³⁺
物种促进了CO₂
活化，而Ni纳米颗粒则优化了H₂
解离。该研究不仅开发了一种简易制备高性能催化剂的方法，更通过构效关系研究为理性设计环境催化材料提供了理论依据，对实现"双碳"目标下的CO₂
资源化利用和大气污染物治理具有重要应用价值。