机械化学活化法制备镍铜氧化物催化剂用于甲烷制氢的优化研究

本研究针对甲烷催化裂解制氢过程中催化剂性能优化问题，通过机械化学活化法(MCA)调控离心加速度(an)、研磨球运动模式等参数，制备NiO–CuO–Al(OH)3催化剂，实现215 Nm3/(kgcat×h)的产氢效率，并生成10–120 nm碳纳米纤维(CNFs)，为清洁能源开发与纳米材料应用提供新策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能因其零碳排放特性成为未来清洁能源体系的核心。甲烷作为天然气主要成分，其催化裂解(CCVD)制氢技术兼具资源丰富性和经济性优势，但传统工艺存在能耗高、催化剂易失活等瓶颈。俄罗斯科学基金会资助的研究团队通过机械化学活化法(MCA)创新制备NiO–CuO–Al(OH)₃催化剂，系统考察离心加速度(a_n)、研磨球直径(d_MB)等参数对催化剂性能的影响，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

关键技术方法包括：采用不同直径研磨球(3-8 mm)进行MCA处理，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析催化剂形貌与相组成，利用温度程序还原(TPR)评估还原特性，在固定床反应器中测试甲烷转化率，并通过激光衍射法测定碳纳米纤维(CNFs)粒径分布。

研究结果：

1. 材料特性：SEM-EDS显示a_n=40 G时Ni/Cu/Al组分分布最均匀，TPR证实此条件下金属氧化物还原峰向低温偏移，活性位点暴露更充分。
2. 催化性能：优化参数(a_n=40 G, d_MB=3 mm)制备的催化剂产氢率达215 Nm³/(kg_cat×h)，铜含量20 wt%时抗积碳能力显著提升。
3. 副产物特征：生成的碳纳米纤维呈堆叠式同轴圆锥结构，直径10-120 nm，较传统热裂解法所得碳烟更具应用价值。

结论与意义：该研究首次阐明MCA参数与甲烷裂解催化剂性能的构效关系，证实离心加速度通过影响组分分散度调控活性位点数量，而研磨球运动模式决定能量传递效率。所开发的催化剂在中等温度(450-800°C)即可高效产氢，较非催化裂解(800-1800°C)大幅节能。副产物CNFs可作为复合材料增强剂，实现资源梯级利用。该工作为绿色氢能规模化生产及功能性纳米碳材料合成提供了新思路。