双功能颗粒Ni–Na–Al2O3在CO2原位甲烷化循环中的性能优化：还原度调控与工业应用潜力

为解决全球变暖背景下CO2减排难题，东南大学团队创新性地研究了双功能材料（DFM）Ni–Na–Al2O3在集成碳捕集与利用（ICCU）系统中的性能。通过调控还原温度（400–600°C），发现400°C还原时材料展现最优活性（95.5% CH4选择性），而高温导致Ni烧结失活。研究揭示了Ni-氧空位协同催化机制，并通过90次循环验证了工业应用潜力，为低碳技术提供了经济高效的解决方案。

　　

全球变暖正以惊人的速度重塑地球生态，2023年地表温度已突破历史记录1.45°C，极端气候事件频发。在这一背景下，如何高效转化工业排放的CO₂成为科学界亟需解决的命题。传统碳捕集与利用（CCU）技术因高能耗、低效率难以推广，而集成碳捕集与利用（ICCU）系统通过耦合CO₂捕获与催化转化，能利用工业废气余热实现能量循环，展现出革命性潜力。其中，将CO₂转化为甲烷（CH₄）的萨巴蒂尔反应（Sabatier reaction）因热力学优势（ΔG_298K=?130.8 kJ/mol）备受关注，但其核心催化剂面临活性与稳定性难以兼得的困境。

东南大学的研究团队在《Materials Today Chemistry》发表的最新研究中，设计了一种球形Ni–Na–Al₂O₃双功能材料（DFM），系统探究了还原温度对其结构-性能关系的影响。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、比表面积分析（BET）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，揭示了400°C还原样品具有最优的Ni分散度和氧空位浓度，在CO₂甲烷化中实现95.5%的CH₄选择性。而600°C以上高温会导致Ni颗粒烧结和NiAl₂O₄尖晶石相生成，使活性断崖式下降。研究还首次通过90次循环实验验证了材料的工业级耐久性，为ICCU系统的实际应用扫清了关键障碍。

关键实验技术
研究采用等体积浸渍法合成球形催化剂，通过程序升温还原（TPR）调控Ni活性位点状态。利用原位表征技术追踪材料结构演变，结合固定床反应器评估CO₂捕获量与甲烷产率。耐久性测试模拟工业条件进行90次吸附-还原循环。

结构表征
SEM显示材料呈0.56 mm规整球形，表面多孔结构利于传质。EDS证实Ni、Na元素均匀分布，XRD谱中400°C样品仅出现γ-Al₂O₃和金属Ni相，而高温样品出现不可逆的NiAl₂O₄衍射峰。XPS分析表明适度还原温度能保持Ni⁰/Ni²⁺平衡态，促进氧空位形成。

性能机制
400°C还原样品具有最大比表面积（156 m²/g）和介孔体积（0.48 cm³/g），其Ni粒径仅8.7 nm。原位红外光谱证实CO₂优先吸附在Ni-氧空位界面，经甲酸盐路径转化为CH₄。Na助剂通过削弱Ni-Al₂O₃相互作用，防止活性位点被尖晶石相包裹。

结论与意义
该研究确立了还原温度对DFM性能的"火山型"影响规律：400°C为最佳平衡点，既能充分活化Ni位点，又避免高温烧结。提出的Ni-氧空位协同催化机制为设计高效ICCU催化剂提供了新思路。长达90次的循环稳定性测试证明Ni–Na–Al₂O₃颗粒可直接用于流化床反应器，解决了粉体材料床层压降大的工程难题。这项成果不仅推动了CO₂资源化利用技术的发展，更为实现"双碳"目标提供了切实可行的技术路径。