Ni/MCM-41催化剂在沼气干法重整制合成气中的性能优化与硫耐受性研究

本研究针对沼气干法重整(DR)过程中催化剂易积碳失活的问题，开发了Ni/MCM-41催化剂系统。通过调控催化剂粒径(500-710 μm)、质量(3 g)及空速(7.20 L h?1 gcat?1)，实现了CH4/CO2转化率>97%、H2/CO≈1的优异性能，并证实其可耐受10 ppm H2S且稳定运行50小时，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，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而传统制氢技术如蒸汽重整存在高能耗、高排放等问题，而利用沼气（主要含CH₄和CO₂）进行干法重整(DR)既能生产合成气(H₂/CO)，又可协同转化两种温室气体，可谓"一箭双雕"。但该技术面临核心挑战：镍基催化剂易因积碳和硫中毒失活，且现有研究多局限于小规模实验，难以指导工业应用。

为此，巴西伊泰普国际可再生能源中心(CIBIOGAS/ITAIPU)的Guilherme Emanuel de Queiros Souza团队创新性地采用介孔分子筛Si-MCM-41为载体，开发出高性能Ni/MCM-41催化剂。研究人员通过多尺度表征（TGA热重分析、XRD衍射、N₂物理吸附等）结合中试规模反应评价，系统考察了催化剂粒径、质量、压力等参数的影响。

关键技术方法包括：采用CTABr模板法制备MCM-41载体，通过浸渍法负载20 wt%镍；在固定床反应器中测试不同条件(催化剂500-710 μm粒径、3 g装量、7.20 L h^?1 gcat^?1空速)下的DR性能；采用气相色谱在线监测产物组成；通过加速老化实验评估抗积碳和耐H₂S性能。

【Dry reforming results: influence of reaction parameters】
研究发现：

1. 粒径效应：500-710 μm颗粒在保持高传质效率的同时，显著降低压降，使CH₄/CO₂转化率分别达99.14%和97.48%
2. 质量优化：3 g催化剂可实现反应物充分接触，H₂和CO选择性均接近49%
3. 硫耐受性：在10 ppm H₂S环境下仍保持80%初始活性，突破传统镍催化剂<5 ppm的耐受极限

【Conclusion】
该研究实现了三大突破：首次在接近工业条件下验证Ni/MCM-41的长期(50 h)稳定性；阐明介孔结构通过限制碳链增长反应抑制积碳的机制；建立催化剂粒径-活性-压降的量化关系模型。这些发现为设计新一代耐硫DR催化剂提供了理论依据，尤其适用于含杂质生物气的提质利用。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的工作，通过巧妙的载体设计（MCM-41的高比表面积和有序孔道）与工程化参数优化，将实验室成果向工业化推进了一大步。其开发的"尺寸-活性-稳定性"协同调控策略，不仅解决了DR过程的核心痛点，更为可再生能源制氢技术的规模化应用提供了重要参考。