Ni/MCM-41催化剂在沼气干法重整中的高效稳定性能及其抗硫中毒特性研究

本研究针对沼气干法重整(DR)中镍基催化剂易积碳失活的问题，开发了Si-MCM-41负载镍催化剂(Ni/MCM-41)。通过系统优化催化剂粒径(500-710 μm)、质量(3 g)和空速(7.20 L h?1 gcat?1)，在常压下实现CH4/CO2转化率>97%，H2/CO比0.99，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了可靠解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，如何高效转化含碳废气成为绿色能源领域的核心挑战。沼气作为典型可再生资源，其主成分CH₄和CO₂恰是造成温室效应的关键物质。传统蒸汽重整工艺能耗高且产物H₂/CO比不理想，而干法重整(DR)技术能同步转化这两种温室气体为合成气(H₂+CO)，其产物比例特别适合费托合成。然而镍基催化剂普遍存在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)的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表重要成果，通过精准设计Si-MCM-41分子筛负载的镍催化剂(Ni/MCM-41)，系统考察了催化剂粒径、反应压力、空速等参数对沼气DR性能的影响。研究采用固定床反应器进行放大实验，结合TPR(程序升温还原)、N₂物理吸附、TEM等表征手段，发现500-710 μm粒径范围的3 g催化剂在常压、7.20 L h^?1 gcat^?1空速条件下，可实现CH₄转化率99.14%、CO₂转化率97.48%，且H₂/CO比稳定在0.99。更令人振奋的是，该催化剂在50小时连续反应中保持稳定，并能耐受10 ppm H₂S的毒化作用。

关键技术方法包括：采用CTABr模板法制备Si-MCM-41载体，通过等体积浸渍负载20 wt%镍；在固定床反应器中进行DR性能测试，GC分析产物组成；通过TGA(热重分析)和SEM-EDS评估积碳行为；采用XRD和TEM观察催化剂结构演变。

【Ni/MCM-41催化剂制备】部分显示，该催化剂通过控制TEOS水解形成有序介孔结构，其高比表面积(987 m²/g)和均匀孔径分布为镍颗粒分散提供理想载体。TPR证实镍物种与载体存在强相互作用，这可能是抗烧结性能的关键。

【干法重整结果】章节揭示，较小催化剂粒径(500-710 μm)相比更大颗粒展现更佳传质效率；常压操作既保证高转化率又降低能耗；7.20 L h^?1 gcat^?1的空速平衡了反应接触时间与处理量。特别值得注意的是，在含10 ppm H₂S的模拟沼气中，催化剂仅出现短暂活性下降但未发生永久失活，这归因于MCM-41载体对硫物种的扩散限制作用。

结论部分强调，该研究通过多尺度调控实现了Ni/MCM-41催化剂"三位一体"性能突破：超高转化效率(>97%)、超长稳定性(50 h)、卓越抗硫性(10 ppm)。反应后表征显示催化剂仅产生少量非晶态碳，且镍颗粒无明显烧结。这项工作不仅为沼气升级提供了工业化解决方案，其"载体限域效应抗硫"的设计思路更为其他敏感催化体系提供了重要借鉴。

这项研究由Guilherme Emanuel de Queiros Souza领衔的团队完成，获得Araucaria基金会支持。研究人员特别指出，该催化剂在真实沼气环境中的长期稳定性仍需验证，未来将通过掺杂助剂进一步提升抗积碳能力。这些发现为可再生能源耦合碳减排技术树立了新标杆，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。