镧镁改性镍铝尖晶石催化剂在甲烷干重整中的低温高效催化性能研究

为解决温室气体转化利用难题，研究人员开发了La/Mg改性NiAl2O4催化剂，在650℃低温与90,000 h-1高空速下实现CH4/CO2高效转化（46%），H2/CO比达0.9，并通过抑制积碳和烧结提升稳定性，为低碳制氢提供新策略。

　　

随着全球能源需求增长和碳排放问题加剧，甲烷干重整（DRM）技术因其能同时转化两种温室气体（CH₄和CO₂）为合成气的特性备受关注。然而，传统镍基催化剂面临低温活性不足、积碳和金属烧结等挑战，尤其在低温和高空速条件下更为突出。如何设计兼具高活性和稳定性的催化剂成为该领域的关键难题。

为解决这一挑战，国内研究人员通过共沉淀法开发了La/Mg改性的镍铝尖晶石（NiAl₂O₄）催化剂，系统研究了其在650℃和90,000 h^-1极端条件下的性能。研究采用XRD、STEM/EDS、H₂-TPR（程序升温还原）和CO₂-TPD（程序升温脱附）等技术表征催化剂结构，并通过24小时稳定性测试评估其工业应用潜力。

3.1 煅烧前驱体的理化特性
XRD和拉曼光谱证实前驱体以NiAl₂O₄尖晶石为主相，La的引入将NiO杂质含量从25%降至10%。H₂-TPR显示Mg形成难还原的MgO-NiO固溶体，导致8%镍无法活化，而LaNiAl样品还原度达100%。

3.2 还原催化剂的表征
STEM分析表明LaNiAl的镍粒径（18 nm）显著小于未改性样品（29 nm）。CO₂-TPD证实La提升催化剂总碱量至0.44 mmol/g，促进CO₂吸附活化。MgNiAl因比表面积降低（59 m²/g）和镍分散度差（1%），金属活性位点仅为LaNiAl的25%。

3.3 催化性能与反应后分析
在720 L·g^-1·h^-1空速下，LaNiAl的CH₄转化率（46%）较MgNiAl（28%）提升64%，且H₂/CO比达0.9。反应后表征发现所有催化剂均生成多壁碳纳米管（直径25-28 nm），但LaNiAl积碳量（0.79 g/g_cat）更低，且镍晶粒未明显烧结（保持15 nm）。

该研究通过尖晶石前驱体设计和微量La改性（La/Ni=0.06），实现了低温高空速条件下DRM催化剂活性与稳定性的平衡。La的引入不仅优化了镍分散度和碱性位点，还通过形成La₂O₂CO₃中间体促进积碳消除。研究为开发适用于沼气转化的高效镍基催化剂提供了新思路，其再生实验（650℃燃烧+850℃还原）验证了催化剂的循环使用潜力，对推动低碳制氢技术工业化具有重要意义。