西京学院大学生创新创业项目简介:高效CO?甲烷化Ni基催化剂的研发及应用

随着化石燃料的大量使用,CO2排放急剧增加,到2024年,相比工业革命前增长了近一倍。CO2作为强效的温室气体之一,对全球环境产生了深远影响。但同时,CO2也是一种可回收的C1资源,能够转化为高附加值化学品。其中,利用工业废气中的CO2和可再生能源产生的H2生产甲烷,成为了实现CO2资源化利用的关键反应,也是实现“双碳”目标的重要途经之一。甲烷(CH4)由于具有比H2更大的体积能量密度而易于储存和运输,可作为清洁能源H2的替代能源。因此,CO2和H2选择性甲烷化是实现净零排放目标的一个重要研究领域,对开发碳中和、氢利用、碳循环和化学能储存等至关重要。

CO?甲烷化,即将二氧化碳与来自可再生能源的“绿氢”相结合,转化为甲烷。这一过程不仅能有效降低大气中二氧化碳的含量,助力缓解全球变暖问题,还将可再生能源存储于甲烷这一理想的能量载体中,为化石能源的清洁利用,特别是煤炭资源清洁利用,以及“绿氢”技术提供有力支撑,是实现“双碳”目标的重要研究方向。然而,长久以来,CO?甲烷化反应面临着热力学与动力学不匹配的难题:从热力学角度看,低温环境对反应有利,但在低温条件下,反应动力学受限,导致CO?难以高效转化利用,开发兼具高反应活性、高稳定性的低温催化剂成为科研人员亟待攻克的挑战。

西京学院应用化学本科生张麟沣团队在这方面取得了显著突破,该项目在"大学生创新创业训练计划"(202412715006)的支持下完成。

经过团队的努力,科研团队成功研发出了一种高活性和高稳定性的Ni基催化剂。缓解了Ni基催化剂低温活性差和长期运行中因烧结和积碳导致的失活的两大难题。他们通过调控活性金属与载体的界面效应、优化制备方法、调整金属负载量、控制晶粒尺寸、添加助剂和形成金属合金等多种策略,致力于提高催化剂的活性、稳定性和选择性。在实验室测试(固定床反应器,H?/CO?=4:1)中,所制备的Ni/SiO2-CaO在CO2甲烷化反应中,CO2初始转化率和CH4初始选择性分别高达63%和80%,反应50 h后,CO2转化率和CH4选择性仍有60%和78%左右。该技术为制备高性能CO2甲烷化反应Ni基催化剂提供技术基础。

负责人张麟沣表示:“我们的研究成果为CO2甲烷化技术的工业化应用提供了重要的技术支撑。新型高活性和高稳定性Ni基催化剂的开发,不仅有助于减少 CO2排放,缓解温室效应,还能将CO2转化为清洁燃料甲烷,实现资源的循环利用。未来,我们将进一步优化催化剂的性能,推动其尽快实现产业化,为全球可持续发展做出贡献。同时,也为新型催化剂的设计和开发提供了新思路。随着该技术的不断完善和推广,有望在能源、化工、环保等多个领域得到广泛应用,为实现全球碳中和目标发挥重要作用。”