Ba和Mg作为助催化剂对Ru/g-C3N4催化CO2甲烷化性能的调控机制研究

本研究针对CO2催化转化中活性与选择性难以协同优化的难题，通过Ba/Mg双助催化剂策略调控Ru/g-C3N4的电子结构与表面特性。发现Ba掺杂可提升CO2转化率至90%，而Mg则因覆盖活性位点抑制性能，揭示了合成方法对金属-载体相互作用的决定性影响，为设计高效甲烷化催化剂提供了新思路。

　　

全球气候变化背景下，CO₂减排与资源化利用成为研究热点。CO₂甲烷化（Sabatier反应）可将温室气体转化为高附加值甲烷，但现有催化剂面临活性与选择性难以兼得、贵金属用量高、传统氧化物载体环境负担大等挑战。特别是Ru基催化剂虽活性优异，却易受载体性质影响，且碱性助催化剂的作用机制尚不明确。

研究人员创新性地选用环境友好的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)为载体，系统探究了Ba/Mg助催化剂的掺杂方式对Ru活性中心的影响。通过对比预掺杂与共浸渍两种合成路径，发现Ba嵌入g-C₃N₄晶格可显著提升甲烷选择性至90%，而Mg则因强覆盖作用降低活性。该成果发表于《Journal of CO₂ Utilization》，为绿色催化剂设计提供了重要参考。

研究采用H₂-TPR、CO₂-TPD、XPS、EPR、原位DRIFTS等多维表征技术，结合固定床反应器性能测试。通过控制尿素热聚合温度（450℃/2h）制备载体，采用初湿浸渍法负载1wt% Ru，对比了Ba/Mg预掺杂与共浸渍样品的结构-性能关系。

3.1 催化剂表征
XRD显示Ba掺杂导致g-C₃N₄的(002)峰宽化，表明其成功嵌入晶格。TEM证实Ru/g-C₃N₄-Ba中Ru纳米颗粒平均尺寸仅1.6nm，EDS图谱显示Ba与Ru空间分布高度重合。H₂-TPR揭示预掺杂Ba使Ru还原温度降低24℃，而共浸渍样品则升高65℃，证明合成方法显著影响金属-载体电子相互作用。

3.2 CO₂加氢性能
在325℃下，Ru/g-C₃N₄-Ba的CH₄生成速率达最高值，表观活化能降低15kJ/mol。XPS证实其Ru⁰/Ru⁴⁺比值提升84%，EPR显示g=2.0050信号增强，表明Ba促进电子转移至Ru活性中心。共浸渍样品因BaO覆盖Ru位点，导致CO选择性升高。

3.3 原位DRIFTS解析
1900cm^-1处桥式CO吸附峰在Ru/g-C₃N₄-Ba中强度提升4倍，证实Ba诱导的电子富集效应强化了CO加氢。而共浸渍样品在2057cm^-1出现孤立Ru位点特征峰，解释了其RWGS反应倾向性。

该研究创新性地阐明助催化剂掺杂策略对活性中心微环境的调控机制：Ba预掺杂通过电子修饰促进CO₂活化与加氢，而Mg则因强亲氧性导致活性位点屏蔽。相比传统Al₂O₃载体体系，g-C₃N₄基催化剂展现出独特的金属-载体协同效应，为开发低耗高效甲烷化系统提供了新范式。研究结果对实现"双碳"目标下的CO₂资源化利用具有重要指导价值。