微波催化多源原料制氢：镍基催化剂设计与性能优化的突破性研究

为解决传统制氢工艺高能耗、高碳排放问题，研究团队创新开发微波驱动多相催化体系，通过Ni/Fe基催化剂设计实现生物质、CH4/CO2、废塑料及烃类的高效转化。该研究获得87.7%生物质气化产率、93.7%合成气选择性及94%CO2减排效果，为碳中和目标提供新型催化策略。

　　

在全球气候危机与能源转型背景下，氢能作为零碳燃料备受关注，但传统蒸汽甲烷重整（SMR）每生产1kg氢气会排放9-12kgCO₂，形成"清洁燃料与肮脏生产"的矛盾。更棘手的是，生物质、废塑料等可再生碳源利用率不足30%，而CH₄/CO₂等温室气体转化又面临催化剂易失活、能耗高等瓶颈。针对这些挑战，Queen Mary University of London的Ye Cao团队在《Catalysis Today》发表研究，开创性地将微波催化技术与多相催化剂设计结合，通过精确调控Ni-Fe-Al-O等催化剂的晶体结构与表面特性，实现了"一石三鸟"——同时解决能源转化、废物利用和碳减排三大难题。

研究采用微波反应系统（2450MHz）、X射线衍射（XRD）和原位表征技术，对生物质（纤维素、木质素等）、CH₄/CO₂混合气、聚乙烯及C₇-C₁₇烃类等四类原料进行催化测试，通过SEM-EDS元素 mapping和拉曼光谱追踪碳沉积动态。

3.1 生物质气化制合成气

通过溶胶-凝胶法制备的NiFeAlO_x尖晶石催化剂展现出独特齿状多孔结构，其87.7%的气体产率显著优于传统Ni/Al₂O₃（75.9%）。XRD证实Al³⁺掺杂形成的氧空位使玉米秸秆转化率提升5倍，且H₂/CO比稳定在2.0，满足费托合成需求。

3.2 甲烷干重整（MDR）

NiMn/ZrO₂-4催化剂在200W微波下实现CH₄和CO₂转化率分别达88%和94%，连续运行10小时未明显失活。TEM显示Mn助剂抑制了Ni烧结，而XPS证实Ni⁰是活性中心，其108nm趋肤深度与微波波长匹配产生共振增强效应。

3.3 废塑料催化裂解

FeAlO_x催化聚乙烯分解可获得60%H₂选择性和高纯度碳纳米管（CNTs）。拉曼光谱中1590cm^-1的G峰证实添加二茂铁可提升CNTs石墨化程度，I_D/I_G比降至0.23。

3.4 脂肪烃/芳烃脱氢

5wt%Fe/SiC催化剂使十六烷脱氢的CO₂排放减少94%，能量效率达常规工艺的120倍。分子结构分析表明直链烷烃C-H键解离能（98-105kcal/mol）显著低于苯环体系，因而正构烷烃H₂产率比二甲苯高40%。

该研究突破性地证实微波非热效应可将反应温度降低300-500°C，通过催化剂表面局域热点实现C-H键选择性断裂。NiFeAlO_x中Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对与Al³⁺的协同作用，以及SiC介电载体对微波场的放大效应，共同构成了"微波-催化剂-底物"三位一体的增效机制。这种"氢能生产-碳资源化-温室气体利用"三位一体的技术路径，为构建循环经济提供了新范式，其每吨氢气生产可减少4.6吨CO₂当量排放，兼具环境效益与商业可行性。未来需重点攻克微波场强在线监测与催化剂寿命预测等工程化难题，以推动该技术走向工业应用。