中国科学院兰州化学物理研究所构建Ni0/NiAl2O4/Al2O3界面提升催化剂抗积炭性能

中国科学院兰州化学物理研究所（简称兰州化物所）低碳催化与二氧化碳利用重点实验室在甲烷-二氧化碳重整（DRM）反应催化剂抗积炭性能研究方面取得新进展。该研究通过构建Ni⁰/NiAl₂O₄/Al₂O₃界面结构，实现了催化剂在低温条件下的高活性和高稳定性，并揭示了其抗积炭反应机理。

DRM反应可将温室气体CH₄和CO₂转化为合成气（H₂和CO），是同时实现碳资源利用和碳减排的重要途径。然而，反应过程中催化剂易因积炭而失活，尤其是低温条件下积炭问题更为严重。因此，开发低温条件下高活性、高稳定性的抗积炭DRM催化剂是该领域的研究难点和热点。

兰州化物所低碳催化与二氧化碳利用重点实验室研究员赵华华团队，针对Ni/Al₂O₃催化剂在低温DRM反应中易积炭失活的问题，通过调控还原温度，构建了具有不同界面结构的催化剂，并系统研究了其抗积炭性能与机理。

（a）催化剂5Ni/Al₂O₃-600和5Ni/Al₂O₃-800的XRD谱图；（b）催化剂5Ni/Al₂O₃-600和5Ni/Al₂O₃-800的Ni 2p XPS谱图；（c）催化剂5Ni/Al₂O₃-R600的线性组合拟合（LCF）结果；（d）催化剂5Ni/Al₂O₃-600和5Ni/Al₂O₃-800的DRM反应机理示意图

团队以Ni/γ-Al₂O₃为模型催化剂，通过调控还原温度构建了Ni⁰/NiAl₂O₄/Al₂O₃界面和Ni⁰/Al₂O₃界面，并借助原位XPS、原位XANES确定了两种界面中Ni0比例。反应评价测试验证了两种界面结构的性能差异，Ni⁰/NiAl₂O₄/Al₂O₃界面结构在600℃，150 L·g_cat^-1·h^-1的反应条件下反应50h后活性无明显下降，而Ni⁰/Al₂O₃结构在反应20h后，CH₄转化率降低至初始转化率的约70%。TG-DSC、Raman和O₂-TPO证明，Ni⁰/NiAl₂O₄/Al₂O₃界面结构有效降低了CH₄裂解过程中难以氧化的石墨碳的比例和抑制了CO歧化。脉冲实验和原位DRIFTS，明确了Ni⁰/NiAl₂O₄/Al₂O₃界面结构的抗积炭反应机理，发现碳酸氢盐（HCO₃*）和碳酸盐（CO₃*）是CH₄抗积炭反应路径中的关键中间体。

以往的催化剂设计策略集中在如何提高CO₂的活化能力上，核心逻辑是通过促进CO₂的活化，提供足够的活性氧，及时清除积炭，从而维持催化剂的稳定性。该研究首次在Ni/Al₂O₃基DRM催化剂中发现CH₄向HCO₃*和CO₃*的转化路径，CH₄在反应初期就可与界面氧物种结合生成含氧中间体，从而避免产生容易聚集成积炭的碳原子。这一“绕过积炭路径”的理念为抗积炭型DRM催化剂提供了新的思路，有望推广至其他尖晶石氧化物体系。

相关研究成果以“Coke-resistant Ni/Al₂O₃ catalysts for low-temperature dry reforming of methane via Ni⁰/NiAl₂O₄ interface control”为题，发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy（DOI：10.1016/j.apcatb.2026.126705）上。兰州化物所赵华华研究员、丑凌军研究员和英国卡迪夫大学Graham J. Hutchings教授为共同通讯作者，兰州化物所为第一完成单位。

上述研究得到了国家留学基金委“访问学者”项目、甘肃省重大专项计划以及中国科学院“西部之光”人才计划等项目的支持。