石河子大学Fuel文章：非贵金属镍基催化剂通过“高温活化低温催化”实现120℃低温甲烷化

目前，天然气已成为一次能源结构中不可替代的清洁化石能源。如今，我国已成为世界第三大天然气消费国，但我国人均天然气占有量还不到世界平均水平的10%。我国天然气产量增速远远不能满足天然气消费需求。长期以来，我国天然气消费量保持强劲增长趋势，进口量达到每年1200亿立方米，首次超越日本成为全球第一大天然气进口国，对外依存度不断提升上升至45%。随着天然气消费量的不断增加，提高天然气产量显得尤为重要。

合成天然气（Gas，SNG）可以有效缓解天然气供应问题。目前制备SNG的主要方法有煤直接合成天然气技术、煤合成天然气技术、生物质合成天然气技术、焦炉煤气合成天然气技术等。其中，CO甲烷化反应是制备SNG的关键步骤，尤其是镍基催化剂广泛用于CO甲烷化（图1）。然而镍基催化剂在高温反应过程中容易发生烧结和积碳，严重影响催化剂的使用寿命。低温甲烷化催化剂可以有效避免活性组分的烧结，减少温升的危害和积碳的产生。

图1 CO/CO2甲烷化和甲烷重整反应(, 2018, 11(2): 221)。

石河子大学戴斌教授（“万人计划”领军人才）与郭旭红教授联合指导的化学化工学院清洁能源转换与存储研究团队（Clean and Group，CECAS）（“长江学者”特聘教授）立足新疆丰富的煤炭资源，致力于煤合成气制天然气、焦炉煤气合成天然气等技术中CO甲烷化催化反应的研究，尤其是甲烷化催化剂在低温下的抗烧结积碳能力和抗硫稳定性。（相关文献：燃料，2016，171：263-269.DOI：10.1016/j.fuel.2015.12.076；

。能量。燃料，2019，3：965-974.DOI：10.1039/；

化学。工程师。关键词: 2017, 326: 774-780.DOI: 10.1016/j.cej.2017.06.010;

下巴。 J.化学。工程，2018，26(9)：1873-1878。 DOI：10.1016/j.cjche.2017.10.024；

: 2018, 8(7): 293.DOI: 10.3390/)

近期，团队采用瞬时纳米沉降技术（相关文献：. Energ. Fuel, 2019, 3(1): 237-244.DOI: 10.1039/；

, 2018, 8(9): 363.DOI: 10.3390/;

化学。工程师。资源。设计, 2018, 134: 476-486.DOI: 10.1016/j.cherd.2018.04.036;

, 2018, 8: 620.DOI: 10.3390/)

制备了高镍含量的非贵金属NiAl双金属氧化物，即E-NiAl-LDO3.0。该样品的比表面积可以达到252.1 m2/g，Ni金属分散度可以达到14.0%，在200℃的温度下可以实现100%的CO转化率。借助“高温活化和低温催化（HALR）”方法，E-NiAl-LDO3.0在120℃下的CO转化率可达88.0%。反应60小时后几乎没有衰减，稳定性极佳。。该工作有效避免了高温反应下催化剂烧结和积炭的问题，实现了非贵金属镍基催化剂的低温甲烷化反应。相关内容标题为“Two-NiAl as non-noble metal for CO at low, DOI:10.1016/j.fuel.2019”。并发表在《燃料》杂志上。该论文第一作者为硕士生姚永斌，通讯作者为冯副教授、石玉林副教授和郭旭红教授。

图2 E-NiAl-LDO3.0的低温CO甲烷化性能（Fuel, 2019, 255:.）。

全文姚丰宇*、李、李、李、王子君、朱、石玉林*、戴斌、郭*。二-NiAl作为非贵金属，对于CO的作用较低。燃料，2019，255：。

附：石河子大学化学化工学院清洁能源转换与储存研究团队（CECAS）依托新疆兵团绿色化工过程重点实验室，开展能源利用与能源化工研究工作周边新疆光电资源。致力于传统能源、现代能源和未来能源的开发利用。目前，团队已形成CO/CO2甲烷化与甲烷重整、二次电池与超级电容器、光电催化制氢与燃料电池等研究方向。

1、传统能源：CO/CO2甲烷化、甲烷重整

本研究方向主要集中在低温甲烷化催化剂的应用研究。主要内容包括：二维天然矿物负载镍基催化剂、二维类水滑石催化剂、复合金属氧化物催化剂等。

相关工作：

[01]于峰*，张丽丽，朱安，夏丽丽，王旭根，戴斌*。锂离子的 - (M=Fe、Mn、Co 和 Ni)。 Nano, 2014, 3, 64- 79.DOI: 10.1016/j..2013.10.011【锂离子电池正极材料】

[02] 左，王刚*，彭军，李刚，马*，冯宇，戴斌，郭，黄清平。和-Fe3O4作为-离子的高阳极。 of A, 2016, 4, 2453-2460.DOI: 10.1039/[锂离子电池负极材料]

[03] 王刚*，彭军，张莉莉，张军，戴斌*，朱，夏丽莉，冯宇*。 2-SnS2@PANI具有高和正离子，A, 2015, 3(7): 3659-3666.DOI: 10.1039/[锂离子电池负极材料]

[04] 陈辉，王刚，陈龙，戴斌，宇峰*。三- -与两者和自我一样 - 来自种子壳。 , 2018, 8, 412. DOI: 10.3390/[超级电容器、生物质碳材料]

[05] 王博彦，郭，陈龙，于峰*，王刚*。 N-掺杂CoO从-67为-游离为高-。 , 2019, 9(1):5934.DOI:10.1038/- 019-42371-y【锂离子电池负极材料】

3、未来能源：光电催化制氢和燃料电池

随着社会的发展和人类的进步，日益严峻的能源短缺和环境污染问题已成为亟待解决的全球性问题。光电催化和多相催化反应技术已成为能源转换和环境净化的关键方法之一，被认为是发展高效清洁能源的理想途径，如制氢反应、燃料电池、CO2资源利用、氨合成等， ETC。

贵金属催化剂因其优异的催化活性而受到研究人员的青睐。但由于贵金属价格较高且储量有限，一直难以广泛推广。与贵金属催化剂相比，廉价的非贵金属催化剂引起了广泛的关注，如过渡金属氮化物、碳化物、氧化物、磷化物、硫化物以及杂原子掺杂碳材料等。过渡金属具有相对空的d或f轨道，可以形成键并与反应分子结合，形成能垒较低的过渡态，从而降低整个反应路径的活化能，加速化学反应的进行。同时，在碳材料表面引入其他杂原子或官能团也可以有效提高催化性能。

本研究方向主要集中于非贵金属光电催化剂的设计与应用。主要采用的技术手段有：化学工艺强化制备技术、碳浴砂浴微波浴热处理技术、低温等离子表面处理技术等。