鎳基催化劑由于具有較高的活性、選擇性和豐富的儲量，在CO2轉化為CH4(也稱為Sabatier反應)方面顯示出巨大的潛力。傳統(tǒng)的鎳/氧化物催化劑在CO2甲烷化反應中的應用具有一定的挑戰(zhàn)性。
其中一個問題是催化劑床層局部熱點的形成，這是由于反應高溫和氧化物載體材料導熱性相對較差造成的。根據文獻估計，CO2加氫反應中絕熱溫度可達到600 °C的最大值，這是放熱的CO2甲烷化和吸熱的逆水煤氣變換反應之間的熱平衡所對應的溫度。
同時，一旦熱擾動超過Ni納米顆粒與載體之間的結合能，分散良好的Ni物種傾向于在催化劑上遷移并進一步團聚成由表面能驅動的大顆粒。此外，CO2加氫產物中的高濃度水蒸氣加劇了Ni的燒結。因此，合理設計抗燒結、耐水的Ni基催化劑對于克服CO2加氫制甲烷的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)具有重要意義。
近日，浙江工業(yè)大學林麗利和浙江大學姚思宇等在泡沫鎳上構建了反相CeAlOx/Ni物種(CeAlOx/Ni/Ni-foam)用于穩(wěn)定催化CO2加氫制甲烷。實驗結果表明，CeAlOx混合氧化物在Ni表面的形成增強了氧空位對CO2的活化，同時調節(jié)了CO2和H的表面覆蓋率，而且抑制了CH4的分解。
同時，由于三維泡沫Ni具有顯著的傳熱和傳質效率，而且采用尿素腐蝕法制備的Ni(OH)2覆蓋層具有優(yōu)良的錨定效應，因此消除了局部熱點，保證催化劑在長期反應過程中保證結構的完整，克服了傳統(tǒng)負載型催化劑固有的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。
性能測試結果顯示，反相CeAlOx/Ni/Ni-foam催化劑在低溫下顯著提高了甲烷產率，并且具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性。在沒有顯著燒結或碳沉積的情況下，經過7次加熱-冷卻循環(huán)處理(25-600 °C)和連續(xù)運行200小時(240 °C)后，其活性幾乎保持不變。同時，該結構催化劑還具有優(yōu)異的耐水性，去除過量水蒸氣后CO2甲烷化活性得到可逆恢復。
此外，該催化劑在240 °C下的CO2轉化率達到80%以上，CH4選擇性也達到98.6%以上，比傳統(tǒng)的Ni/氧化物催化劑高14倍。總的來說，該項工作為研究CO2加氫制甲烷反應的機制提供了一個平臺，也為設計用于CO2加氫制甲烷反應的高性能、持久的催化劑提供了一個通用的策略。
Thermally stable Ni foam-supported inverse CeAlOx/Ni ensemble as an active structured catalyst for CO2 hydrogenation to methane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47403-4
