Nature Communications：浙工大林丽利教授课题组构筑耐高温热冲击的Ni基甲烷化新材料

镍基催化剂因其相对较高的活性、选择性和经济性而广泛应用于工业CO甲烷化反应中，在CO₂加氢制CH₄（也称为Sabatier反应）方面也显示出巨大的潜力。二氧化碳甲烷化反应在电制气一体化过程及对沼气升级中具有广阔的应用前景。但在二氧化碳甲烷化反应中传统的镍/氧化物催化剂仍面临金属中心烧结的挑战性。甲烷化反应剧烈的反应热及氧化物主体材料的导热性相对较差而导致催化剂床层局部高温热点的形成，据文献估算，加氢反应中每转化1 mol%CO₂，绝热温升约59.2℃，绝热温度最高可达600℃，该温度对应于放热CO₂ 甲烷化和吸热逆水煤气变换反应之间的热平衡。而传统Ni基催化剂甲烷化的工作温度在300-400℃，结合产生的热点升温极易导致金属的热烧结。开发低温高活性且耐高温烧结的镍基二氧化碳甲烷化催化剂具有重要意义。    

 催化剂合成示意图与结构表征

浙江工业大学化学工程学院林丽利教授课题组联合浙江大学姚思宇研究员提出了以多孔泡沫镍为基底，原位构建反相CeAlO_x/Ni界面活性位点的策略，利用泡沫镍结构化金属材料优良的导热性、丰富的三维通道来快速移除甲烷化反应的高温热点和反应产物水，抑制反应过程的热效应和大量产物水给活性位点带来的烧结和氧化等不利影响。通过蚀刻工艺在泡沫镍基底上生长一层紧密接触的氢氧化镍作为纳米氧化物的附着位点，可实现高密度、高结构稳定性的氧化物/NiO反相结构在泡沫镍基体上的精细均匀分散，从而制备得到具有丰富氧化物/Ni活性基团的功能化CeAlO_x/Ni/Ni-foam结构催化剂。CeAlO_x/Ni/Ni-foam催化剂在240-600°C的宽温度范围内实现了优异的二氧化碳甲烷化催化活性和稳定性。在经历7次从室温到240-600℃的剧烈加热-冷却循环后，仍能保持其初始活性，无明显烧结和积碳。考虑到可再生能源的波动性，对催化材料在具有波动温度和空速的非稳态工况下进行评测，运行200小时未观察到催化剂失活迹象，表现出优异的耐工况波动稳定性。

实验证实了泡沫镍金属骨架的高导热性和结构支架中丰富的扩散通道可成功消除反应过程的局部热点，避免了热点升温所导致的金属热烧结，克服了传统金属/氧化物催化剂存在的固有稳定性挑战。因此，CeAlO_x/Ni/Ni-foam结构催化剂的开发为构建结构稳定且价格合理的CO₂甲烷化反应实用化催化剂提供了有价值的指导。

整体式结构化催化剂稳定性研究

论文信息

相关研究以“Thermally stable Ni foam-supported inverse CeAlO_x/Ni ensemble as an active structured catalyst for CO₂ hydrogenation to methane”为题于2024年4月10日发表于期刊《自然通讯》（Nature Communications），浙江工业大学为第一单位，文章第一作者为浙江工业大学博士研究生唐鑫和浙江工业大学博士后宋楚乔，通讯作者为浙江工业大学林丽利教授，浙江大学姚思宇研究员。该研究得到了浙江省自然科学基金杰出青年项目（LR22B030003）的资助。感谢卢晗锋教授对催化材料长时间稳定性评价的支持。

该课题组在反相催化剂的研究上取得了系列研究进展（Nat.Commun. 2020, 11, 5756；J. Energy Chem.2021，11，602-611；Chem. Eng. J. 2023, 470, 144006；Appl. Catal., B 2024, 344, 123656；Nat.Commun.2024,15,3115）

学者介绍

林丽利

浙江工业大学教授、博导，围绕醇氢能源催化，包括氢气的高效制取、原位制氢加氢、CO₂加氢合成绿色燃料及抗中毒加氢展开系统研究，发表SCI论文50余篇，第一/通讯作者论文包括Nature、Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.等。主持国家自然科学基金（2项）、浙江省杰出青年基金等项目。获2022教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖（第二完成人，2/5），入选2017年度中国未来女科学家计划、第五届中国科协青年人才托举工程项目和第八届中国催化新秀奖。

往期回顾

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来源 | 化学工程学院排版 | 陈珺怿编辑 | 许维婷审核 | 王剑斌 陈微微