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(zhǎng)了近一倍。CO2作為強(qiáng)效的溫室氣體之一,對(duì)全球環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。但同時(shí),CO2也是一種可回收的C1資源,能夠轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)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(shí)現(xiàn)CO2資源化利用的關(guān)鍵反應(yīng),也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(chǔ)存和運(yùn)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(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,對(duì)開(kāi)發(fā)碳中和、氫利用、碳循環(huán)和化學(xué)能儲(chǔ)存等至關(guān)重要。

CO₂甲烷化,即將二氧化碳與來(lái)自可再生能源的“綠氫”相結(jié)合,轉(zhuǎn)化為甲烷。這一過(guò)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(wèn)題,還將可再生能源存儲(chǔ)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(shù)提供有力支撐,是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要研究方向。然而,長(zhǎng)久以來(lái),CO₂甲烷化反應(yīng)面臨著熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)不匹配的難題:從熱力學(xué)角度看,低溫環(huán)境對(duì)反應(yīng)有利,但在低溫條件下,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受限,導(dǎo)致CO₂難以高效轉(zhuǎn)化利用,開(kāi)發(fā)兼具高反應(yīng)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(xué)院應(yīng)用化學(xué)本科生張麟灃團(tuán)隊(duì)在這方面取得了顯著突破,該項(xiàng)目在"大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃"(202412715006)的支持下完成。

經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)的努力,科研團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)期運(yùn)行中因燒結(jié)和積碳導(dǎo)致的失活的兩大難題。他們通過(guò)調(diào)控活性金屬與載體的界面效應(yīng)、優(yōu)化制備方法、調(diào)整金屬負(fù)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試(固定床反應(yīng)器,H₂/CO₂=4:1)中,所制備的Ni/SiO2-CaO在CO2甲烷化反應(yīng)中,CO2初始轉(zhuǎn)化率和CH4初始選擇性分別高達(dá)63%和80%,反應(yīng)50 h后,CO2轉(zhuǎn)化率和CH4選擇性仍有60%和78%左右。該技術(shù)為制備高性能CO2甲烷化反應(yīng)Ni基催化劑提供技術(shù)基礎(chǔ)。

負(fù)責(zé)人張麟灃表示:“我們的研究成果為CO2甲烷化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。新型高活性和高穩(wěn)定性Ni基催化劑的開(kāi)發(fā),不僅有助于減少 CO2排放,緩解溫室效應(yīng),還能將CO2轉(zhuǎn)化為清潔燃料甲烷,實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。未來(lái),我們將進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的性能,推動(dòng)其盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,為全球可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。同時(shí),也為新型催化劑的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新思路。隨著該技術(shù)的不斷完善和推廣,有望在能源、化工、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)發(fā)揮重要作用。”