科研進展
蘭州化物所甲烷-二氧化碳重整反應研究獲新進展
甲烷干重整（DRM，CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO）能將甲烷和二氧化碳兩種溫室氣體同步轉化為氫碳比約為1的合成氣，是兼具溫室氣體資源化利用與合成氣生產雙重功能的關鍵技術路徑。Ni/Al2O3催化劑是DRM領域研究最早、最廣泛的體系之一，具備良好的工業化前景，卻長期因反應過程中積碳與燒結導致失活問題，難以實現大規模工業應用。
中國科學院蘭州化學物理研究所低碳催化與二氧化碳利用全國重點實驗室丑凌軍研究員團隊長期致力于高性能DRM催化劑研究。前期，團隊利用蒸發誘導自組裝法制備了一系列有序介孔氧化鋁負載型Ni催化劑，發展了“有序介孔限域”策略用于構建高效DRM催化劑。近年來，聚焦低Ni含量的高效DRM催化劑體系的構建，如通過構建Ni-La2O2CO3（Catal. Today, 2022, 402, 189-201）和Ni-Pr/Al2O3（Mol. Catal., 2026, 588, 115528），揭示了界面協同作用對CH4/CO2活化路徑的調控機制。
近日，該團隊聯合中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院和英國卡迪夫大學，在抗積炭Ni/Al2O3催化劑的設計與反應機理領域取得重要突破。團隊揭示了NiAl2O4在低溫DRM中的關鍵作用，填補了相關研究多聚焦中高溫體系的空白，為低溫抗積碳DRM催化劑的理性設計提供了全新范式。
圖1.(a) Ni0/NiAl2O4/Al2O3制備示意圖； (b) 各還原溫度下的催化劑歸一化Ni K-edge XANES光譜；(c) 5Ni/Al2O3-R600的線性組合擬合（LCF）結果；（d）催化劑5Ni/Al2O3-600和5Ni/Al2O3-800的DRM反應機理示意圖
團隊以Ni/γ-Al2O3為模型催化劑，通過調控還原溫度構建了Ni0/NiAl2O4/Al2O3界面和Ni0/Al2O3界面，并借助原位XPS、原位XANES確定了兩種界面中Ni0比例。反應評價測試驗證了兩種界面結構的性能差異，Ni0/NiAl2O4/Al2O3界面結構在600℃，150 L·gcat-1·h-1的反應條件下反應50h后活性無明顯下降，而Ni0/Al2O3結構在反應20h后，CH4轉化率降低至初始轉化率的約70%。TG-DSC、Raman和O2-TPO證明，Ni0/NiAl2O4/Al2O3界面結構有效降低了CH4裂解過程中難以氧化的石墨碳的比例和抑制了CO歧化。脈沖實驗和原位DRIFTS，明確了Ni0/NiAl2O4/Al2O3界面結構的抗積炭反應機理，發現碳酸氫鹽（HCO3*）和碳酸鹽（CO3*）是CH4抗積炭反應路徑中的關鍵中間體。
以往的催化劑設計策略集中在如何提高CO2的活化能力上，核心邏輯是通過促進CO2的活化，提供足夠的活性氧，及時清除積炭，從而維持催化劑的穩定性。該研究首次在Ni/Al2O3基DRM催化劑中發現CH4向HCO3*和CO3*的轉化路徑，CH4在反應初期就可與界面氧物種結合生成含氧中間體，從而避免產生容易聚集成積炭的碳原子。這一“繞過積炭路徑”的理念為抗積炭型DRM催化劑提供了新的思路，有望推廣至其他尖晶石氧化物體系。
相關研究成果以“Coke-resistant Ni/Al2O3 catalysts for low-temperature dry reforming of methane via Ni0/NiAl2O4 interface control”為題，發表在Applied Catalysis B: Environment and Energy（DOI：10.1016/j.apcatb.2026.126705）上。蘭州化物所趙華華研究員、丑凌軍研究員和英國卡迪夫大學Graham J. Hutchings教授為共同通訊作者，蘭州化物所為第一完成單位。
上述研究得到了國家留學基金委“訪問學者”項目、甘肅省重大專項計劃以及中國科學院“西部之光”人才計劃等項目的支持。
