韓國(guó)能源研究所（KIER）高溫電解實(shí)驗(yàn)室的研究人員Heeyeon Kim博士和Yoonseok Choi博士與首爾國(guó)立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的WooChul Jung教授合作，成功改進(jìn)了一種用于從溫室氣體中產(chǎn)生能量的干重整反應(yīng)催化劑。與傳統(tǒng)催化劑相比，新開(kāi)發(fā)的自生成催化劑具有高耐久性和顯著減少金屬使用量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　　甲烷干重整（DRM）：一種在高溫下使甲烷和二氧化碳（兩種主要溫室氣體）發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生合成氣的技術(shù)。近年來(lái)，它作為與碳?xì)浠衔锵嚓P(guān)的分布式制氫以及固體氧化物燃料電池集成發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)也受到了關(guān)注。

　　干重整是一種將甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）這兩種主要溫室氣體在高溫下反應(yīng)合成氫（H?）和一氧化碳（CO）的技術(shù)。通過(guò)減少溫室氣體，它有助于對(duì)抗全球變暖，同時(shí)生產(chǎn)關(guān)鍵能源氫和多用途合成氣。由于這些原因，它一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)活躍研究領(lǐng)域。

　　干重整反應(yīng)通常使用鎳（Ni）催化劑，它既經(jīng)濟(jì)又高效。然而，在反應(yīng)過(guò)程中，碳容易沉積在催化劑表面，導(dǎo)致性能迅速下降。這種積炭是長(zhǎng)期運(yùn)行和商業(yè)化的主要障礙，推動(dòng)了對(duì)新催化劑設(shè)計(jì)和操作條件優(yōu)化的積極研究。

　　作為一種替代方案，使用鈣鈦礦基氧化物的自生成催化劑技術(shù)已經(jīng)得到了很多關(guān)注。在這種方法中，金屬駐留在催化劑載體內(nèi)，在反應(yīng)條件下遷移到表面形成催化活性位點(diǎn)。出現(xiàn)的金屬顆粒與支架緊密結(jié)合，有效地抑制了碳沉積。因此，與傳統(tǒng)的鎳催化劑相比，自生成催化劑可以在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持性能。

自生成催化劑：活性金屬成分嵌入支撐材料的晶格內(nèi)，并在特定環(huán)境下遷移到表面的催化劑。這種機(jī)制允許活性位點(diǎn)均勻分布在催化劑表面，并從根本上防止金屬顆粒脫離或團(tuán)聚引起的性能下降。

　　研究小組優(yōu)化了原子間鍵強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)出了即使在干重整反應(yīng)的高溫條件下也能穩(wěn)定運(yùn)行的自生成催化劑。使用這種催化劑，只需要常規(guī)催化劑所需鎳的3%就可以產(chǎn)生相同數(shù)量的合成氣。

　　在自生成催化劑中，內(nèi)部金屬元素越容易遷移到表面，反應(yīng)速度越快。然而，在這項(xiàng)研究中使用的基于鑭錳礦（LaMnO?）的鈣鈦礦氧化物載體具有很強(qiáng)的原子間鍵，使得內(nèi)部金屬顆粒難以出現(xiàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究小組用鈣離子（Ca2?）取代了氧化物載體中的鑭離子（La3?），降低了原子間鍵合強(qiáng)度，并使更多的鎳遷移到催化劑表面。

　　然而，研究小組發(fā)現(xiàn)，添加過(guò)量的鈣會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)本身崩潰，導(dǎo)致催化劑的穩(wěn)定性和活性降低。基于這一發(fā)現(xiàn)，他們確定了鈣取代的最佳范圍，并成功開(kāi)發(fā)了一種自生成催化劑，該催化劑運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)具有高抗碳沉積和強(qiáng)轉(zhuǎn)化活性。

　　與傳統(tǒng)催化劑相比，新開(kāi)發(fā)的催化劑只需要3%的鎳就能產(chǎn)生相同數(shù)量的合成氣。此外，與傳統(tǒng)催化劑的活性容易因團(tuán)聚和結(jié)焦而降低不同，新型催化劑在800℃下長(zhǎng)期運(yùn)行500小時(shí)，穩(wěn)定保持了較高的轉(zhuǎn)化效率，沒(méi)有碳沉積的跡象，證明了其出色的耐久性。

　　首席研究員Heeyeon Kim博士表示：“自生成催化劑技術(shù)是一項(xiàng)突破性的創(chuàng)新，不僅有效地解決了傳統(tǒng)鎳催化劑以積炭為主的催化劑失活問(wèn)題，而且顯著降低了原料和反應(yīng)過(guò)程的成本?！?/p>

　　該論文的共同通訊作者Yoonseok Choi博士評(píng)論道：“這項(xiàng)工作具有重要意義，因?yàn)樗_保了一項(xiàng)核心技術(shù)，不僅適用于干式重整反應(yīng)，還適用于廣泛的碳?xì)浠衔镏卣^(guò)程、高溫水電解（SOEC）和其他下一代能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?！?/p>

　　該研究結(jié)果發(fā)表在催化領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先期刊《ACS Catalysis（Impact Factor：13.1）》上，并得到了KIER研究計(jì)劃和韓國(guó)科學(xué)與信息通信技術(shù)部研究計(jì)劃的支持。

　　（素材來(lái)自：KIER 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）