Ni-La2O3/AC导电催化剂电驱动甲烷干重整实现净负CO2排放

为解决传统甲烷干重整（DRM）因高能耗导致净CO2排放的难题，研究人员开发了一种基于Ni-La2O3/AC导电催化剂的电驱动DRM（e-DRM）技术。该技术通过电流驱动晶格氧释放，促进La2O2CO3中间体分解和NiOx还原，实现了热力学平衡转化率（77% CO2转化率）和120小时稳定运行，能量效率达2.976 mmol kJ?1。结合可持续电力，该技术首次实现DRM净负CO2排放，为碳中和目标提供了创新解决方案。

　　

全球温室气体排放中，CO₂和CH₄分别贡献了75%和20%的增温效应。甲烷干重整（DRM）作为同时转化这两种气体的关键技术，可将它们转化为合成气（H₂/CO），用于生产甲醇或长链烃类。然而，传统热催化DRM（t-DRM）需800°C以上高温，依赖化石燃料供热，导致净CO₂排放，与其环保初衷背道而驰。如何突破这一“高碳陷阱”，成为领域内亟待解决的难题。

浙江大学的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项突破性研究。他们设计了一种导电催化剂——镍和氧化镧共负载的活性炭（Ni-La₂O₃/AC），通过直接通电触发电热效应和电化学效应的协同作用，实现了高效、稳定的电驱动DRM（e-DRM）。该技术不仅达到热力学平衡转化率，更以2.976 mmol kJ^?1的能量效率刷新纪录，在采用风电或核电时实现净负CO₂排放。

研究团队运用了多项关键技术：1）自制电化学反应器结合多热电偶温度监测系统；2）原位XPS（X射线光电子能谱）和拉曼光谱追踪La₂O₂CO₃中间体演化；3）同位素瞬态响应（ITR）实验解析反应路径；4）高分辨透射电镜（HAADF-STEM）观察Ni颗粒氧化状态。

电驱动反应系统与性能评估
通过优化催化剂（4 wt% Ni，La/Ni=2）和反应条件（CH₄/CO₂=2），e-DRM在700°C下CO₂转化率较t-DRM提升40%，且H₂/CO比更接近理论值1。放大实验（5.4 g催化剂）显示，能量输入的80%直接用于反应，远超传统加热方式。

能量效率与CO₂排放
当采用CO₂排放因子低于0.258 kg_CO2 kWh^?1的可再生电力（如风电、光伏）时，e-DRM实现净负排放。相较之下，等离子体催化DRM的最高效率仅0.5 mmol kJ^?1。

DRM中间体鉴定
XRD和HAADF-STEM揭示t-DRM中Ni颗粒被深度氧化为NiO，La₂O₃完全转化为La₂O₂CO₃；而e-DRM中这些中间体含量显著降低。原位XPS证实电流可分解La₂O₂CO₃释放晶格氧（O_Latt）。

中间体反应活性
电驱动程序升温反应（EPPR）显示，La₂O₂CO₃分解温度较热驱动降低192°C，NiO_x还原温度降低180°C。这种“电激活”效应使Ni-La₂O₃协同作用增强，抑制积碳（热重分析显示e-DRM后催化剂失重仅0.8%）。

e-DRM机制
同位素实验证实反应遵循Mars-van Krevelen（MvK）机制：CO₂在La₂O₃上形成La₂O₂CO₃，电流驱动其分解产生CO和活性氧；同时CH₄在Ni表面解离沉积碳，被活性氧氧化为CO。电子的定向流动加速了氧循环，避免Ni深度氧化和La₂O₃碳酸化。

这项研究开创了DRM净负排放的新范式。通过将导电催化剂设计与可再生电力结合，不仅解决了传统DRM的“高碳悖论”，其2.976 mmol kJ^?1的能量效率更为工业化应用奠定基础。未来，优化Ni分散度和开发抗氧化的载体（如碳化硅）可能进一步提升性能。该技术有望推动化工行业从“碳减排”迈向“碳消除”，对实现《巴黎协定》1.5°C目标具有战略意义。