镍基MOF催化剂在水介质中高效催化CO2加氢制甲酸：反应参数交互作用与优化研究

本文针对非贵金属催化剂在CO2加氢制甲酸（FA）中的效率瓶颈，通过水热-湿浸渍法合成Ni/Al2O3-MOF（Ni/MA-520）催化剂，结合响应面法（RSM）优化温度、催化剂用量和反应时间等参数，实现0.77 M高FA产率和394 TON（周转数），催化剂循环稳定性优异，为CO2资源化提供新策略。

　　

全球变暖背景下，CO₂减排与资源化利用成为科学界焦点。甲酸（FA）作为重要化工原料，其传统合成依赖化石燃料且能耗高，而CO₂直接加氢制FA因热力学限制面临挑战。尽管贵金属催化剂（如Ru、Ir）性能优异，但高昂成本制约工业化应用。现有非贵金属催化剂存在活性低（如纯镍仅50%产率）、金属团聚等问题，且水介质中反应研究匮乏。

针对上述问题，印度理工学院鲁尔基分校（Indian Institute of Technology Roorkee）的研究团队开发了一种新型镍基催化剂——纳米镍负载于氧化铝MOF（Ni/M_A-520），通过水热-湿浸渍法合成，粒径约16 nm。研究采用五水平中心复合设计（CCD）优化反应参数，发现191°C、3 h和0.58 g催化剂用量为最优条件，FA产率达0.77 M（预测区间95%），TON高达394，显著优于文献报道的Ru基催化剂（TON 30-1955）。催化剂循环5次性能稳定，MP-AES（微波等离子体原子发射光谱）证实无金属溶出。该成果发表于《Cardiology Clinics》。

关键技术包括：1）水热法合成Al₂O₃-MOF载体（M_A-520）；2）湿浸渍负载镍纳米颗粒；3）响应面法（RSM）分析温度、时间、催化剂用量的交互作用；4）MP-AES检测金属溶出；5）FE-SEM/HR-TEM表征催化剂形貌。

材料与合成
以NaOH和富马酸为原料制备M_A-520载体，Ni(NO₃)₂溶液浸渍后煅烧还原，获得5 wt.% Ni/M_A-520催化剂。TGA显示镍负载提升MOF热稳定性（失重从80%降至65%）。

催化性能
RSM模型R²=0.97，温度对FA产率影响最大（p<0.0001）。最优条件下FA选择性近100%，远超文献报道的NiRuB催化剂（557 μmol·g^-1·h^-1）。

稳定性分析
循环实验表明FA产率无衰减，HR-TEM证实镍颗粒未团聚，CO₂-TPD显示载体强碱性位点促进CO₂活化。

该研究突破非贵金属催化剂性能瓶颈，为CO₂规模化转化提供经济高效的解决方案。催化剂制备方法可扩展至其他过渡金属体系，RSM优化策略对多参数催化反应具有普适指导意义。