隨著化石燃料的大量使用,CO2排放急劇增加,到2024年,相比工業(yè)革命前增長了近一倍。CO2作為強效的溫室氣體之一,對全球環(huán)境產(chǎn)生了深遠影響。但同時,CO2也是一種可回收的C1資源,能夠轉化為高附加值化學品。其中,利用工業(yè)廢氣中的CO2和可再生能源產(chǎn)生的H2生產(chǎn)甲烷,成為了實現(xiàn)CO2資源化利用的關鍵反應,也是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途經(jīng)之一。甲烷(CH4)由于具有比H2更大的體積能量密度而易于儲存和運輸,可作為清潔能源H2的替代能源。因此,CO2和H2選擇性甲烷化是實現(xiàn)凈零排放目標的一個重要研究領域,對開發(fā)碳中和、氫利用、碳循環(huán)和化學能儲存等至關重要。

CO₂甲烷化,即將二氧化碳與來自可再生能源的“綠氫”相結合,轉化為甲烷。這一過程不僅能有效降低大氣中二氧化碳的含量,助力緩解全球變暖問題,還將可再生能源存儲于甲烷這一理想的能量載體中,為化石能源的清潔利用,特別是煤炭資源清潔利用,以及“綠氫”技術提供有力支撐,是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要研究方向。然而,長久以來,CO₂甲烷化反應面臨著熱力學與動力學不匹配的難題:從熱力學角度看,低溫環(huán)境對反應有利,但在低溫條件下,反應動力學受限,導致CO₂難以高效轉化利用,開發(fā)兼具高反應活性、高穩(wěn)定性的低溫催化劑成為科研人員亟待攻克的挑戰(zhàn)。

西京學院應用化學本科生張麟灃團隊在這方面取得了顯著突破,該項目在"大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃"(202412715006)的支持下完成。

經(jīng)過團隊的努力,科研團隊成功研發(fā)出了一種高活性和高穩(wěn)定性的Ni基催化劑。緩解了Ni基催化劑低溫活性差和長期運行中因燒結和積碳導致的失活的兩大難題。他們通過調(diào)控活性金屬與載體的界面效應、優(yōu)化制備方法、調(diào)整金屬負載量、控制晶粒尺寸、添加助劑和形成金屬合金等多種策略,致力于提高催化劑的活性、穩(wěn)定性和選擇性。在實驗室測試(固定床反應器,H₂/CO₂=4:1)中,所制備的Ni/SiO2-CaO在CO2甲烷化反應中,CO2初始轉化率和CH4初始選擇性分別高達63%和80%,反應50 h后,CO2轉化率和CH4選擇性仍有60%和78%左右。該技術為制備高性能CO2甲烷化反應Ni基催化劑提供技術基礎。

負責人張麟灃表示:“我們的研究成果為CO2甲烷化技術的工業(yè)化應用提供了重要的技術支撐。新型高活性和高穩(wěn)定性Ni基催化劑的開發(fā),不僅有助于減少 CO2排放,緩解溫室效應,還能將CO2轉化為清潔燃料甲烷,實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。未來,我們將進一步優(yōu)化催化劑的性能,推動其盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,為全球可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。同時,也為新型催化劑的設計和開發(fā)提供了新思路。隨著該技術的不斷完善和推廣,有望在能源、化工、環(huán)保等多個領域得到廣泛應用,為實現(xiàn)全球碳中和目標發(fā)揮重要作用。”