La2O3和CeO2促进剂对介孔Ni/沸石催化剂CO2甲烷化性能的调控及Ni-CeO2/BEA最优疏水性研究

为提升Ni基催化剂在CO2甲烷化中的低温活性，研究人员通过La2O3和CeO2促进剂修饰介孔沸石（BEA/ZSM-5/US-Y），发现Ni-CeO2/Na+-BEA在300°C下实现70% CO2转化率和99.5% CH4选择性，揭示了表面碱性与Ni0粒径（8 nm）的协同作用，为低碳能源转化提供新策略。

　　

在全球气候危机与能源转型背景下，如何将温室气体CO₂转化为高附加值燃料成为研究热点。CO₂甲烷化（Sabatier反应）因其温和反应条件和产物（CH₄）可直接注入天然气管网的优势备受关注。然而，现有Ni基催化剂普遍面临低温活性不足、易烧结等问题，而贵金属Ru催化剂成本高昂。更棘手的是，传统载体如Al₂O₃易积碳，沸石载体又存在疏水性与活性位点平衡的难题。为此，土耳其科学技术研究理事会资助的研究团队在《Microporous and Mesoporous Materials》发表论文，通过La₂O₃/CeO₂促进剂与介孔沸石的协同设计，实现了Ni催化剂低温性能的突破。

研究采用X射线衍射（XRD）、H₂-程序升温还原（H₂-TPR）和密度泛函理论（DFT）计算等方法，系统比较了BEA、ZSM-5和US-Y三种介孔沸石负载Ni催化剂的性能差异。

催化剂制备
通过酸处理（HNO₃浓度0.05-6 M）对沸石进行脱铝/脱硅，构建介孔结构以封装Ni纳米颗粒。Na⁺交换的BEA载体经等体积浸渍法负载10 wt.% Ni和2.5 wt.% CeO₂或La₂O₃。

催化剂表征
XRD证实介孔处理未破坏沸石晶体结构（图S1-S3）。H₂-TPR显示CeO₂使NiO还原温度降低80°C，拉曼光谱检测到Ni-O-Ce键（图2），表明促进剂增强金属-载体相互作用。X射线光电子能谱（XPS）证实Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的存在。

催化性能
在250°C、GHSV=12,500 h^-1条件下，Ni-CeO₂/Na⁺-BEA（Si/Al=38）的CO₂转化率从3%跃升至30%，CH₄选择性达99%。300°C时转化率进一步提高至70%（图5）。30小时稳定性测试中，Ni⁰粒径稳定在8 nm，未发生烧结。

DFT计算
Ce/La的引入使CO₂吸附能从-0.42 eV提升至-0.67 eV（图8），反应路径从直接解离转变为CO-HCO介导的甲酸盐路径。

结论与意义
该研究首次将介孔沸石的疏水性调控（Si/Al=38）、Ni⁰粒径优化（8 nm）与CeO₂促进剂三者协同，创制出低温高性能催化剂。其意义在于：1）揭示了表面碱性（通过NH₃-TPD测定）与金属-促进剂相互作用的协同机制；2）为工业级CO₂-to-CH₄转化提供了低成本解决方案；3）通过DFT计算阐明了Ce/La改变反应路径的原子尺度机理。Bahar Ipek团队的工作为沸石基催化剂在碳中和技术中的应用树立了新标杆。