调控ZSM-5酸性构建硅溶胶改性抗积碳甲烷干重整催化剂

本研究针对甲烷干重整(DRM)反应中催化剂易积碳失活的问题，通过硅溶胶(Silicalite-sol)调变ZSM-5分子筛酸性，制备了Ni-ZS(x)系列催化剂。研究发现Ni-ZS(0.5)在750℃下展现最佳性能，CH4/CO2转化率达82%/75%，H2/CO比≈1.5，其优异性能源于优化的酸碱性质、镍分散度及孔道结构，为工业级DRM催化剂开发提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，如何高效转化两大温室气体甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)成为关键科学难题。甲烷干重整反应(DRM)虽能将二者转化为合成气(H₂+CO)，但现有镍基催化剂普遍面临积碳失活、高温烧结等问题。传统ZSM-5分子筛因强酸性易引发甲烷裂解积碳，而贵金属催化剂成本高昂难以工业化。

沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学(KFUPM)的研究团队创新性地采用硅溶胶(Silicalite-sol)对ZSM-5进行酸性调控，通过水热法构建了ZSM-5/硅溶胶复合载体，并以镍(Ni)为活性组分制备出Ni-ZS(x)系列催化剂。研究发现当ZSM-5/硅溶胶质量比为0.5时，Ni-ZS(0.5)在750℃、常压条件下展现出82%的CH₄转化率和75%的CO₂转化率，且能稳定运行24小时。这项工作发表于《Journal of the Energy Institute》，为开发低成本、高稳定性的工业级DRM催化剂提供了新策略。

研究团队主要采用四大关键技术：1) 水热合成法构建ZSM-5/硅溶胶复合载体；2) 等体积浸渍法负载镍活性组分；3) 通过CO₂-TPD(程序升温脱附)和H₂-TPR(程序升温还原)分析表面酸碱性和还原特性；4) 结合N₂-吸脱附、XRD、SEM/TEM等多尺度表征手段解析材料结构。

材料与表征
XRD证实硅溶胶改性后仍保持MFI拓扑结构，但结晶度随硅溶胶比例增加而降低。N₂-吸脱附显示Ni-ZS(0.5)具有最大比表面积(412 m²/g)和介孔体积(0.25 cm³/g)，有利于反应物扩散。

酸性调控机制
CO₂-TPD显示硅溶胶的引入使强酸位数量减少38%，中强碱位增加2.3倍，有效抑制了甲烷裂解积碳。H₂-TPR证实Ni-ZS(0.5)的还原峰温度最低(385℃)，表明金属-载体相互作用优化。

催化性能
在750℃反应条件下，Ni-ZS(0.5)的H₂产率比未改性样品提高27%，积碳量降低62%。TEM显示其镍颗粒尺寸最小(8.2 nm)，且反应后未出现明显烧结。

该研究通过精准调控ZSM-5分子筛的酸性特征，实现了镍活性组分的高分散和抗积碳性能的协同提升。所开发的Ni-ZS(0.5)催化剂在保持高转化率的同时，H₂/CO比例接近理论值1.5，特别适用于费托合成原料气生产。这项工作不仅为分子筛催化剂设计提供了酸性调控新范式，更为实现温室气体资源化利用提供了具有工业化潜力的解决方案。