Ce、Mg、Si和Ti对Ni/Al2 O3 催化剂甲烷干重整反应的促进作用及机制研究

本研究针对Ni/Al2 O3 催化剂在甲烷干重整反应(DRM)中易烧结和积碳的问题，系统评估了Ce、Mg、Si、Ti四种助剂对催化剂结构及性能的影响。通过XRD、H2 -TPR、CO2 -TPD等表征发现，Ni/Ce-Al因小尺寸Ni晶粒、优异还原性和CO2 活化能力展现出最佳DRM稳定性，为设计高效抗积碳催化剂提供了新思路。

　　

温室气体转化与能源可持续利用是当前环境与能源领域的重大课题。甲烷干重整反应（DRM）因其能同时转化CH₄
和CO₂
两种温室气体为合成气（H₂
/CO≈1）而备受关注，该合成气可作为费托合成和甲醇生产的重要原料。然而，DRM反应需在高温（>700°C）下进行，传统Ni/Al₂
O₃
催化剂面临镍颗粒烧结和积碳导致快速失活的难题。为解决这一挑战，韩国浦项国立大学的研究团队在《Molecular Catalysis》发表论文，系统研究了Ce、Mg、Si、Ti四种助剂对Ni/Al₂
O₃
催化剂性能的影响机制。

研究采用等摩尔量助剂负载策略，通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，氢气程序升温还原（H₂
-TPR）评估还原性能，CO₂
程序升温脱附（CO₂
-TPD）测定表面碱性，并结合DRM活性测试揭示构效关系。

催化剂合成
通过初湿浸渍法在γ-Al₂
O₃
上负载2.9 mmol的Ce、Mg、Si、Ti（对应质量分数分别为9.2%、3.4%、1.7%、2.0%），使用硝酸铈、硝酸镁、正硅酸乙酯和钛酸异丙酯作为前驱体，经900°C焙烧制备催化剂。

Al和P-Al表征
XRD显示原始Al₂
O₃
在高温下由γ相转变为δ相（JCPDS#47-1770），而助剂改性后催化剂保持稳定结构。Ni/Ce-Al表现出最小的Ni晶粒尺寸（XRD半峰宽分析）和最优的还原性能（H₂
-TPR低温还原峰），这归因于CeO₂
的氧存储能力促进金属-载体相互作用。

结论与意义
Ni/Ce-Al因Ce助剂的三重协同作用——抑制Ni烧结（晶粒尺寸减小）、增强还原性（H₂
-TPR还原峰向低温移动）、提升CO₂
活化能力（CO₂
-TPD强碱性位点增加）而表现最优。相比之下，Mg虽增加表面碱性但还原性不足，Si和Ti因形成惰性硅铝酸盐或钛铝酸盐导致Ni分散度下降。该研究不仅阐明助剂对Ni/Al₂
O₃
催化剂性能的差异化调控机制，更为设计抗烧结、抗积碳的工业DRM催化剂提供了理论依据，对实现温室气体资源化利用具有重要实践价值。