新型镍-沸石-生物炭绿色催化剂的组分优化与制备策略：TPR、TPD和XPS揭示其协同增效机制

本研究针对绿色氢化技术中催化剂载体成本高、稳定性不足的问题，开发了新型Ni-沸石-生物炭(NZB)复合催化剂。通过TPR、TPD和XPS系统优化了镍负载量(15%)、沸石含量及浸渍顺序，获得具有中等金属-载体相互作用强度、高分散度(63.27%)和优异还原性(Tmax=390°C)的催化剂，其H2消耗量(7135.2 μmol g-1)显著优于传统Ni/Al2O3体系，为可持续催化材料设计提供了新思路。

　　

在绿色化学和可持续发展理念推动下，开发高效稳定的非贵金属催化剂成为催化领域的研究热点。传统镍基催化剂如Ni/Al₂O₃虽成本较低，但存在金属分散度低、还原温度高、易烧结等问题；而生物炭载体虽具有多孔结构和表面含氧官能团优势，却缺乏酸性位点和热稳定性。如何通过材料复合与结构调控，构建兼具高活性、高稳定性和低成本的新型催化体系，成为当前研究的重点难点。

针对这一挑战，来自阿联酋的研究团队创新性地将高硅沸石的强酸性和热稳定性，与生物炭的表面官能团特性相结合，设计出Ni-沸石-生物炭(NZB)三元复合催化剂。通过系统的组分优化和制备工艺研究，该团队在《Materials Science and Engineering: B》发表了重要成果，揭示了复合载体对镍物种电子结构和还原行为的调控机制。

研究采用温度程序还原(TPR)分析还原性能，温度程序脱附(TPD)测定氢吸附能力和金属分散度，X射线光电子能谱(XPS)表征电子相互作用，结合XRD、FTIR和SEM-EDS等表征手段。研究选用椰枣核热解生物炭和丝光沸石为载体，通过湿法浸渍制备不同配比的催化剂。

3.1 生物炭载体对镍还原性的影响
TPR分析显示纯生物炭负载镍(NB)的还原峰出现在215°C和267°C，而沸石负载镍(NZ)在412°C以上才出现还原峰，表明生物炭能显著降低镍的还原难度。混合载体NZB则呈现中间特性(227-400°C)，其活化能(34,143 J/mol)高于单一载体，证实了载体间的协同效应。

3.2 镍负载量的优化
15%镍负载量展现出最佳平衡：H₂消耗量达7135.2 μmol g^-1，还原温度402°C，金属分散度63.27%。25%负载时出现371°C和406°C双还原峰，表明镍物种发生聚集。

3.3 沸石含量的调控作用
增加沸石含量至25%可使H₂消耗量提升66%，但TPD显示15%沸石含量时氢吸附位点强度最佳，说明需要平衡酸性与金属分散的关系。

3.4 浸渍顺序的关键影响
"镍优先"浸渍顺序使H₂消耗量增加36%，有效抑制了NiAl₂O₄尖晶石相的生成，XPS证实该顺序能增强镍与载体间的电子相互作用。

3.7 材料表征结果
XRD显示NZB中NiO晶粒尺寸最小(10.59 nm)；FTIR在1220 cm^-1处发现Ni-O-C特征峰；XPS观察到Ni 2p结合能正移0.5-0.7 eV，证实了金属-载体电子转移。

该研究通过多尺度表征揭示了NZB催化剂的构效关系：沸石提供酸性位点稳定镍物种，生物炭促进金属分散和还原，二者协同创造出"中等强度金属-载体相互作用"的理想状态。相较于传统催化剂，优化后的NZB在1,3-丁二烯选择性加氢中实现100%转化率，展现出优异的工业应用潜力。这项工作不仅为绿色催化剂设计提供了新范式，其提出的"载体组分梯度调控"策略对多相催化材料开发具有普适性指导意义。