氮空位富集g-C3N4纳米片光催化CO2还原性能研究

本研究针对沼气干重整制合成气过程中催化剂易失活的问题，开发了Ni/MCM-41催化剂系统。通过优化催化剂粒径(500-710 μm)、质量(3 g)及空速(7.20 L h?1 gcat?1)，实现CH4/CO2转化率>97%，H2/CO选择性达49%，并展现50小时稳定性及10 ppm H2S耐受性，为工业级沼气升级提供关键技术支撑。

　　

在全球能源结构转型背景下，如何高效转化温室气体（CH₄和CO₂）成为关键科学命题。传统蒸汽重整法存在能耗高、产物H₂/CO比不理想等缺陷，而沼气干重整（DR）技术能同步转化这两种温室气体为合成气（H₂/CO≈1），完美契合费托合成等下游工艺需求。然而，镍基催化剂普遍面临的积碳失活和硫中毒问题，严重制约该技术的工业化应用。

巴西国际可再生能源中心（CIBIOGAS/ITAIPU）与Araucaria基金会资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表重要成果。研究人员通过浸渍法制备20 wt% Ni负载的Si-MCM-41分子筛催化剂，采用固定床反应器系统（催化剂装填量达3 g），结合TPR（程序升温还原）、N₂物理吸附等表征手段，系统考察了粒径、压力、空速等参数对DR性能的影响。

关键技术方法

1. 催化剂制备：CTABr模板剂合成Si-MCM-41载体，硝酸镍溶液浸渍获得20% Ni负载量
2. 反应系统：建立可处理高催化剂装填量的中试装置，WHSV（重时空速）调控范围4-12 L h^?1 gcat^?1
3. 抗硫测试：向原料气中梯度添加H₂S（1-10 ppm）
4. 表征技术：TGA（热重分析）监测积碳，TEM观察镍颗粒分散

研究结果

Ni/MCM-41催化剂生产
XRD显示催化剂具有典型六方介孔结构，TPR证实镍物种以NiO形式均匀分散，BET比表面积达980 m²/g。

干重整结果：反应参数影响

• 粒径效应：500-710 μm颗粒在7.20 L h^?1 gcat^?1空速下实现最佳传质，CH₄转化率99.14%
• 压力测试：常压条件最有利，加压至3 bar时转化率下降15%
• 硫耐受性：10 ppm H₂S暴露24小时后活性仅衰减8%

结论
该研究突破性地证明Ni/MCM-41催化剂在工业相关条件下：
1）通过介孔限域效应抑制镍烧结，50小时反应后积碳量<5 wt%；
2）表面硅羟基有效捕获硫物种，保持H₂/CO摩尔比0.99的稳定性；
3）较传统研究提升3倍催化剂装填量，为放大至吨级反应器提供直接依据。这项工作不仅为沼气制氢提供经济型催化剂方案，更开创了温室气体资源化利用的新范式。