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3%镍搞定“零碳氢”:韩国团队exsolving催化剂让CH₄+CO₂变身绿氢

2025-08-19 13:19:10 来源:SMM
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简介:8月18日,韩国能源研究院(KIER)联合首尔大学在《ACS Catalysis》发表突破性成果:通过在钙钛矿LaMnO₃中掺杂钙离子,诱导镍原子自析出形成稳定纳米颗粒,实现甲烷-二氧化碳干重整制氢。新催化剂镍用量仅为传统体系的3%,连续800 ℃运行500小时零积碳,转化率和稳定性全面领先。该技术为低成本、大规模绿氢生产提供了新的商业化路径,并可外延至高温电解、固体氧化物燃料电池等场景。
当全球把氢气视为“终极能源载体”时,居高不下的制氢成本仍是拦路虎。甲烷干重整(Dry Reforming of Methane, DRM)理论上可同时消纳CH₄和CO₂两大温室气体,产出H₂/CO比例可调的合成气,但传统Ni/γ-Al₂O₃催化剂极易积碳失活,且含量高、价格波动大。韩国能源研究院金熙妍、崔允团队与首尔大学郑祐澈教授合作,把目光投向“自生成(exsolving)”策略:让镍原子像“蘑菇”一样从母体氧化物中自然长出,既省料又抗积碳。

研究团队采用溶胶-凝胶法合成La₀.₇Ca₀.₃MnO₃钙钛矿前驱体,经5%H₂/Ar气氛预还原后,原本均匀分布在晶格中的Ni²⁺被还原成Ni⁰,并沿晶界迁移至表面,形成粒径仅5–10 nm的超细金属颗粒。与传统浸渍法制备的Ni/γ-Al₂O₃相比,新工艺把镍负载量从15 wt%骤降到0.5 wt%,却将CH₄和CO₂单程转化率分别维持在92%和94%,且H₂/CO摩尔比稳定在1.0附近,满足下游费托合成或直接氢气纯化需求。

更惊艳的是稳定性。传统催化剂在800 ℃连续反应50小时后即因积碳堵塞孔道而失活,而exsolving样品在同等条件下运行500小时活性几乎无衰减。原位拉曼光谱显示,表面析出的镍纳米颗粒被钙钛矿母体“半包埋”,形成锚定结构,既抑制颗粒烧结,又阻断石墨碳层连续生长。团队进一步通过DFT计算证实,La₀.₇Ca₀.₃MnO₃表面氧空位可降低CH₄裂解能垒,促进积碳前驱体的气化移除,实现“自清洁”效应。

成本账同样亮眼。以年产万吨级绿氢装置测算,传统催化剂需消耗镍约150吨,而新技术仅需4.5吨,按当前LME镍价1.8万美元/吨计算,一次性原料成本降低260万美元;同时因催化剂寿命延长,更换频率从每年1次降至每5年1次,运维费用再降70%。KIER已与韩国最大燃气企业KOGAS签署MOU,计划2026年在仁川建设300 Nm³/h DRM示范装置,副产合成气用于绿色甲醇合成。

研究团队透露,exsolving策略具有普适性:通过调节A/B位掺杂比例,可将活性金属从Ni扩展到Co、Fe、Ru,基底材料也可拓展至SrTiO₃、BaZrO₃等钙钛矿家族成员。下一步,他们将把这一思路应用于高温固体氧化物电解(SOEC)阳极催化剂,目标在2028年实现1 MW级可再生电力制氢系统,最终打通“绿电—绿氢—绿氨”全链条。

镍用量减97%、运行500小时零积碳、成本骤降——韩国团队的exsolving催化剂为甲烷干重整打开商业化大门。当廉价活性金属与智能钙钛矿母体“珠联璧合”,温室气体变成绿氢的愿景不再遥远。从实验室克级反应器到兆瓦级工业装置,这条路或许将在三年内走完,为全球氢能经济写下浓墨重彩的“韩国方案”。
         
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