北京化工大学ACS Catalysis：Ni沸石封装协同焦耳加热，实现330小时无失活甲烷重整

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甲烷干重整反应能够将两种强效温室气体直接转化为高价值合成气，兼具环境与经济效益，因而受到广泛关注。然而，该过程在实际工业应用中面临严峻挑战：反应本身高度吸热，需在极端高温下进行，导致能耗巨大；同时，高温易引发镍基催化剂烧结与积碳失活，严重制约其长期运行稳定性。如何实现高效供热并设计出耐高温、抗积碳的催化材料，成为该领域迈向工业化必须解决的核心科学问题。






论文概要
2025年10月10日，北京化工大学李晨耕、朱彦儒等在ACS Catalysis期刊发表题为“Stable Electrothermal Reforming of Undiluted CH4/CO2 by Integrating Encapsulated Ni Nanoparticles with Internal Joule Heating”的研究论文。本研究开发了一种新型电热催化甲烷干重整技术，通过将封装型镍沸石催化剂与内部焦耳加热策略相结合，实现了在未稀释原料气条件下的高效、稳定合成气生产。该方法利用电流直接在导电载体中产生热量，实现了对活性位点的原位供热，大幅提升了能量利用效率；同时，沸石骨架对镍纳米颗粒的空间限域作用有效抑制了其高温迁移与烧结。实验表明，该体系在800°C下连续运行330小时无失活，合成气时空产率达到17850 L/(gNi·h)，远超传统方式。机理研究进一步揭示了镍与沸石硅醇基团之间的协同作用，促进了一条碳酸盐介导的CO₂活化新路径，为高温电热催化过程的设计提供了新思路。



图文解读
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图1 Ni-CHA、Ni/CHA与Ni/SiO₂样品的扫描电子显微镜图像（a–c）、透射电子显微镜图像（d–f）及基于TEM图像的Ni颗粒粒径分布（g–i）


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图2 Ni-CHA、Ni/CHA与Ni/SiO₂在传统DRM（A, B）与电热EDRM（C, D）条件下的催化性能比较，包括CH₄转化率、CO₂转化率与H₂/CO比；（E）本研究与其他文献中Ni基催化剂的合成气时空产率对比


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图3 （A）反应器轴向温度分布测量示意图；（B–E）空白SiC与涂覆Ni-CHA的SiC在内部焦耳加热（B, D）和外部加热（C, E）条件下的温度分布，其中黄色区域表示催化剂床层


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图4 Ni-CHA在CH₄/CO₂气流中随温度变化的Operando DRIFTS谱图，分别采用（A）内部焦耳加热与（B）传统加热方式；（C）硅羟基区域与（D）碳酸盐区域在700 °C下的电热与传统加热谱图对比


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图5 Ni-CHA在600 °C电热条件下的原位DRIFTS谱图：（A–C）羟基区域与（D–F）碳酸盐区域，气体切换顺序为CO₂ → CO₂/CH₄ → CO₂


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示意图 1 沸石中嵌入Ni颗粒上硅醇辅助的双齿碳酸盐反应路径机理示意图




总结展望

总之，本研究通过将Ni嵌入沸石构建的封装型催化剂与可再生电力驱动的内部焦耳加热策略相结合，成功实现了甲烷与二氧化碳的高效电热干重整转化。基于该集成化系统，研究团队突破了传统干重整过程中能耗高、易积碳和金属烧结三大瓶颈，在未稀释原料气条件下实现了17850 Lₛyngas/(gNi·h)的创纪录合成气时空产率，并保持超过330小时的连续稳定运行，未观察到活性下降或积碳现象。机理研究进一步揭示，电流诱导下Ni颗粒与沸石骨架中的硅醇基团协同作用，形成独特的双齿碳酸盐介导反应路径，从而显著提升CO₂活化效率并促进表面碳的快速消解。该策略不仅为温室气体资源化利用提供了兼具高能效与工业可行性的技术方案，也彰显了电热催化在强吸热反应中的广阔应用潜力。未来可探索电流对活性位点的电磁调控机制及其在多元吸热催化体系中的普适性规律。










文献信息：Stable Electrothermal Reforming of Undiluted CH 4 /CO 2 by Integrating Encapsulated Ni Nanoparticles with Internal Joule Heating. Xiaoqiang Huang;Jingwen Chu;Yanru Zhu;Jingrou Ye;Chengeng Li;Jing He;Xue Duan. ISSN: 2155-5435 , 2155-5435; DOI: 10.1021/acscatal.5c04632. ACS Catalysis. , 2025, p.17645-17657



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