西京学院大学生创新创业项目简介：高效CO₂转化Ni催化剂的制备及应用

在"大学生创新创业训练计划"（202412715006）的支持下，由西京学院应用化学本科生团队主导的"高效CO₂转化Ni催化剂的制备及应用"项目取得突破，项目负责人为应用化学专业22级张麟沣。

一、科学挑战：传统催化剂的效率困局

在全球加速推进碳中和的背景下，二氧化碳（CO₂）的高效资源化利用成为科学界焦点。近日，西京学院应用化学专业师生，成功设计出一种CaO改性的Ni/SiO2催化剂，在实验室条件下实现了CO₂甲烷化反应效率的突破性提升——CO₂转化率高达60%以上，甲烷选择性接近80%，且稳定性超过50小时。该成果为CO₂催化转化催化剂的设计提供了一种新思路。

CO₂甲烷化反应（CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O）是连接碳捕集与清洁能源生产的关键反应，但其工业化应用长期受限于催化剂活性低，特别是稳定差。主要因为传统镍基催化剂需在高温（300℃以上）下运行，活性组分Ni极易在高温下发生烧结，从而导致活性差，能耗高；此外，反应中生成的积碳来不及消除，从而覆盖活性位点，导致寿命短；最后，反应过程中CH₄选择性低，从而增加了后续分离等成本。

CaO由于具有较高的CO2吸附性能，在催化CO2转化过程表现出绝对的优势。但传统方法制备的CaO几乎没有多孔结构、比表面积较小，对CO2的吸附效率和循环稳定性较差，随着循环使用次数的增加，吸附性能逐渐衰减。

二、实验突破：高效Ni基催化剂的构筑

研究团队通过多年研究，从高效Ni基催化剂上活性组分Ni的调控和载体CO2吸附性能改性两反面出发，取得以下成果：

1.多孔CaO的制备及其CO2吸附性能调控

本着提高CO2吸附性能的目标，研究团队采用不同结构的商业化表面活性剂作为结构导向剂，研究了表面活性剂结构、数量等因素对CaO孔结构和比表面积的影响规律，并对合成条件、Ca源等进行优化，从而实现了高比表面多孔CaO的可控制备。

2.氧化物改性CaO的CO2高吸附循环稳定性

以提高CaO稳定性和吸附性能为目标，研究团队采用SiO2、Al2O3、碱/碱土金属氧化物以及稀土金属氧化物等作为改性剂，对CaO进行掺杂改性，系统研究其对CO2吸附效率和循环稳定性的影响规律。

3.高性能CO2甲烷化CaO改性Ni基催化剂

团队提出利用配位-浸渍法来调控Ni与载体间相互作用，通过改变配位剂种类、加入量和焙烧温度，实现了Ni颗粒及碳表面氧含量得调变，并阐明了配位剂结构和制备参数等因素对Ni颗粒尺寸的影响，实现了高分散Ni基催化剂的可控制备。

在实验室测试（固定床反应器，H₂/CO₂=4:1）中，氧化物改性的多孔CaO表现出较好的CO2甲烷化反应性能。如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。

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