基于高酸性MFI沸石的镍基催化剂在甲烷干重整反应中的低温高效催化性能研究

本研究针对甲烷干重整反应(DRM)中催化剂易积碳失活和反应温度高的难题，通过调控MFI沸石载体的Si/Al比（40/100/∞）设计系列5Ni/ZSM-5催化剂。研究发现高酸性5Ni/ZSM-5(40)可实现Ni纳米颗粒（~6 nm）的高度分散和强金属-载体相互作用，在600°C下获得73% CH4转化率和0.95的H2/CO比，积碳量仅2.22 wt%，为低温高效DRM催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球变暖问题日益严峻，将温室气体CH₄和CO₂转化为合成气（CO+H₂）的甲烷干重整反应（DRM）受到广泛关注。然而传统Ni基催化剂面临积碳失活和高温操作（700-1000°C）的瓶颈，而通过载体酸性调控实现低温高效DRM仍缺乏系统研究。针对这一挑战，研究人员设计了一系列Si/Al比（40/100/∞）的MFI沸石负载5 wt%Ni催化剂，系统探究了载体酸性对Ni分散度、反应活性和稳定性的影响机制。

研究采用X射线衍射（XRD）、氢气程序升温还原（H₂-TPR）、透射电镜（TEM）等技术表征催化剂结构，通过固定床反应器评价DRM性能。结果发现高酸性5Ni/ZSM-5(40)催化剂展现出独特的优势：通过Ar吸附测试证实其具有111 m²/g的介孔-外比表面积，TEM显示Ni颗粒平均尺寸仅6 nm；H₂-TPR在715°C出现单一还原峰，XPS显示Ni²⁺结合能高达856.19 eV，表明强金属-载体相互作用。

在反应性能方面，温度程序实验显示5Ni/ZSM-5(40)的CH₄转化起始温度低至327°C，较其他催化剂（367-474°C）显著降低。600°C等温反应时，该催化剂CH₄和CO₂转化率分别达73%和86%，H₂/CO比稳定在0.95，表明DRM反应占主导。特别值得注意的是，其积碳量仅2.22 wt%，远低于5Ni/ZSM-5(100)的23.75 wt%。通过TG-DSC和TEM分析发现，低酸性催化剂在500-550°C时产生大量碳纳米管，Ni颗粒被包裹其中导致失活。

该研究创新性地揭示了沸石载体酸性对Ni催化剂性能的调控机制：高酸性促进Ni纳米颗粒分散和稳定，抑制积碳形成；而低酸性载体导致Ni颗粒烧结和甲烷分解副反应。5Ni/ZSM-5(40)催化剂在相对低温（600°C）下实现高效稳定的DRM性能，为生物质气（CH₄/CO₂≈1.5）直接转化提供了可行方案。这项工作不仅为设计抗积碳DRM催化剂提供了新策略，也深化了对金属-酸性载体协同作用机制的理解，对开发低碳化工技术具有重要指导意义。