负载低含量CeO?和MgO助剂的镍基催化剂CO?甲烷化性能：分步浸渍与共浸渍方法的比较

《Inorganic Chemistry Communications》：Methanation of CO? over nickel catalysts: Comparison of sequential and co-impregnation methods with low-loaded CeO? and MgO promoters

　　

研究人员采用分步浸渍与共浸渍两种路径合成了CeO?或MgO改性的镍基甲烷化催化剂，并系统比较了助剂化学性质与制备方法对CO?甲烷化性能的影响。负载2 wt.% CeO?或MgO助剂的10NiO/Al?O?催化剂在300 °C条件下实现了高达98%的CO?转化率，CH?选择性达95%，其性能与含15–20 wt.%高含量助剂的体系相当。结构表征揭示了显著的助剂依赖性特征：Mg改性催化剂无论采用何种浸渍策略，均形成了Ni1?xMgxO固溶体并拥有高度分散的NiO纳米颗粒（粒径<5 nm）；相比之下，Ce改性催化剂对合成路径高度敏感，其中分步浸渍能有效抑制NiO团聚并确保活性相的最佳分散，该结果经球差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（STEM-HAADF）、X射线衍射（XRD）及氢气程序升温还原（H?-TPR）分析证实。优化后的10Ni/2Ce/Al催化剂表现出优异的长期稳定性，在300 °C下连续运行120小时仍能维持98–100%的CO?转化率。

该研究由G.Y. Yergaziyeva、M.M. Mambetova、N.M. Makayeva、Xi Liu、Jiajin Pei、L.K. Myltykbayeva、I. Kuanish与K. Dossumov合作完成，发表于《Inorganic Chemistry Communications》。研究针对当前大气中CO?浓度持续上升的背景，旨在通过催化CO?加氢制甲烷（萨巴蒂尔反应）实现碳资源化利用。现有高性能Ni/Al?O?催化剂普遍依赖高浓度稀土CeO?助剂（15–20 wt.%），导致原材料成本高昂且制备能耗大，限制了工业放大应用。此外，现有集成CO?捕集-转化系统在操作条件优化与灵活性方面存在瓶颈。为此，研究人员开发了仅含2 wt.%低负载量CeO?或MgO助剂的镍基催化剂，并设计了新型双反应器系统，旨在同时解决经济性与工艺适应性问题。

研究人员采用了若干关键技术方法：通过初湿浸渍法制备系列催化剂，系统比较分步浸渍与共浸渍对催化剂结构与性能的影响；利用XRD、STEM-HAADF、H?-TPR等手段表征催化剂物相、微观形貌与氧化还原性质；在固定床反应器中评价催化剂的CO?加氢性能，考察温度、助剂种类与制备方法对转化率、选择性与稳定性的影响；并在模拟集成系统中评估催化剂的循环操作稳定性。

研究结果如下：

催化剂材料的合成

研究人员制备了5–10 wt.% NiO/γ-Al?O?及添加2 wt.% CeO?或MgO的改性催化剂，通过调整浸渍顺序获得不同结构的催化体系。

催化剂还原温度的影响

研究发现还原温度对CO?转化率与CH?选择性具有决定性作用。不同助剂体系的适宜还原温度存在差异，直接影响金属活性相的暴露程度与稳定性。

催化剂在CO?加氢中的稳定性

未改性Ni/Al催化剂在300 °C下运行23小时后，CO?转化率从42%显著下降至30%，主要归因于镍颗粒团聚与表面积碳。相比之下，低负载助剂改性催化剂表现出明显改善的稳定性。

结论

低负载（2 wt.%）的10Ni–2Ce/Al与10Ni–2Mg/Al催化剂在300–350 °C即可实现97–98%的CO?转化率，性能与高助剂含量体系相当。其中，10Ni/2Ce–Al在300 °C下连续运行120小时仍维持98–100%的CO?转化率。对于Ce改性催化剂，分步浸渍至关重要，可将300 °C下的CO?转化率从85%提升至98%，其作用机制在于提高Ni分散度并抑制富铈相的负面影响。Mg改性催化剂则因形成Ni_1?xMg_xO固溶体而实现稳定的高分散NiO结构。

讨论与结论翻译

研究表明，通过优化助剂化学性质与浸渍方法，可显著降低CO?甲烷化催化剂对昂贵稀土助剂的依赖，同时保持甚至超越传统高助剂体系的性能。这一策略不仅降低了材料成本，还简化了制备流程，提升了催化剂在工业集成系统中的长期稳定性与适应性。结合新型双反应器平台，该技术为CO?捕集与原位转化的工业化提供了经济可行且灵活高效的解决方案。