Ni/MCM-41催化剂在沼气干法重整中的高效制氢性能与抗硫中毒机制研究

本研究针对沼气干法重整(DR)中镍基催化剂易积碳失活的关键问题，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)，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，而沼气干法重整(DRM)技术可同时转化CH₄和CO₂两种温室气体，生产H₂/CO≈1的理想合成气。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。

巴西国际可再生能源中心(CIBIOGAS/ITAIPU)与德国国际合作机构(GIZ)资助的研究团队，在《International Journal of Biological Macromolecules》发表成果，开发出具有工业应用潜力的Ni/MCM-41催化剂。研究人员通过浸渍法制备20%镍负载的Si-MCM-41催化剂，采用固定床反应器系统考察了粒径、压力、空速等参数影响，并运用TGA(热重分析)、XRD(X射线衍射)、N₂物理吸附等表征手段分析催化剂性能。

催化剂制备与表征
采用CTABr模板剂合成Si-MCM-41介孔分子筛载体，通过湿浸渍法负载20wt%镍。表征显示催化剂具有高比表面积(>800 m²/g)和均匀镍分散，TPR(程序升温还原)证实镍物种与载体强相互作用。

反应参数优化
在3 g催化剂(500-710 μm)、常压、7.20 L h^?1 gcat^?1空速条件下获得最佳性能：CH₄转化率99.14%、CO₂转化率97.48%，H₂和CO选择性均达49%。小粒径催化剂(<500 μm)因内扩散限制导致性能下降，而增大空速至12 L h^?1 gcat^?1会降低接触时间使转化率下降15%。

长期稳定性与抗硫性
50小时连续测试显示催化剂保持稳定，积碳速率仅0.0023 g_coke h^?1 gcat^?1。引入10 ppm H₂S后，转化率短暂下降20%但6小时内恢复，TEM显示硫主要吸附在镍颗粒边缘而非活性晶面。

该研究证实Ni/MCM-41具有优异的抗积碳和耐硫性能，其介孔结构有效抑制了镍颗粒烧结和碳纤维生长。相比文献报道的Mn-Ni/La₂O₃等催化剂，本工作采用工业级反应规模(催化剂装量3 g vs常规0.5 g)更具实际意义。研究成果为沼气资源化利用提供了兼具经济性和稳定性的解决方案，特别适用于含硫生物质气的提质转化。