近日，环科院徐磊磊教授课题组围绕“双碳”战略需求，聚焦CO₂资源化利用与低温催化转化开展研究，相关成果连续发表于化学工程与环境技术领域国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=12.5，中科院一区TOP）。两篇论文分别以（1）Facile one-pot synthesis of hollow-structured Ni-CeO₂ nanosphere catalysts for enhanced CO₂ methanation efficiency和（2）Morphology-dependent structure and interface engineering of CeO₂ supports for enhanced low-temperature CO₂ methanation为题发表。这两项研究均以南京信息工程大学为第一完成单位，围绕Ni-CeO₂催化剂结构调控、CeO₂载体形貌工程及金属-载体界面构筑开展系统研究，为“双碳”目标下CO₂资源化转化与绿色能源储存提供了新的材料设计思路和理论依据。论文（1）第一作者为卞玉芳同学（硕士，现于北京工业大学攻读博士学位），徐磊磊教授、高飞教授为共同通讯作者；论文（2）由陆振宇（博士生）和连林水（硕士生）同学为共同第一作者，徐磊磊教授、陈敏东教授为共同通讯作者。

在全球能源转型和“双碳”目标背景下，CO₂减排与资源化利用是实现绿色低碳发展的重要途径。CO₂甲烷化可利用氢气将CO₂转化为CH₄，并将可再生能源转化为高能量密度化学能源，是碳中和技术体系中兼具CO₂资源化利用和绿色能源储存潜力的重要技术方向。当其与CO₂捕集、可再生能源制氢及甲烷循环利用相结合时，有望形成“CO₂捕集—绿氢制备—催化甲烷化—能源利用”的碳循环体系。然而，CO₂分子稳定性高，低温条件下反应动力学缓慢，传统非贵金属Ni基催化剂还存在Ni分散不足、高温烧结、低温活性差等问题，制约了其实际应用。

针对上述问题，研究团队首先构筑了具有空心结构的Ni-CeO₂纳米球催化剂。采用简便的一锅法，以PVP为软模板，通过水热和煅烧过程制备介孔空心Ni-CeO₂纳米球，并系统考察Ni负载量及前驱体类型对催化剂结构和性能的影响。研究发现，空心结构具有较大的比表面积和良好的传质性能，并可通过空间限域作用增强Ni与CeO₂之间的相互作用，有效抑制Ni颗粒团聚和烧结；同时，丰富的氧空位有利于CO₂吸附与活化，实现Ni活性位点与CeO₂载体的协同作用。优化后的催化剂在280 ℃下CO₂转化率达到78.7%，表现出优异的低温甲烷化性能。

图1. 一锅法制备介孔空心Ni-CeO₂纳米球的TEM照片

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725125515

在此基础上，研究团队进一步系统揭示了CeO₂载体形貌对Ni基催化剂低温CO₂甲烷化性能的影响规律。研究制备了空心纳米球、实心纳米球、纳米棒、纳米八面体、纳米立方体等不同形貌的CeO₂载体，并从Ni分散、氧空位、表面碱性、还原性能及金属-载体相互作用等方面建立构效关系。结果表明，载体形貌能够显著调控Ni物种分散及CeO₂表面性质，其中空心结构5Ni/CeO₂-H具有较高的比表面积和优异的Ni分散性能，可有效促进CO₂吸附活化；该催化剂在300 ℃下实现约80%的CO₂转化率和接近100%的CH₄选择性，同时具有良好的稳定性。进一步利用原位DRIFTS和在线TPSR等技术开展机制研究，发现Ni/CeO₂催化剂的CO₂甲烷化主要遵循甲酸盐（formate）反应路径，空心CeO₂结构能够促进表面中间物种的生成与转化。研究由此揭示了“载体形貌调控—氧空位及表面碱性优化—Ni-CeO₂界面增强—CO₂活化加速”之间的内在联系，为低温高效Ni基CO₂甲烷化催化剂的理性设计提供了重要依据。

图2. 不同形貌Ni/CeO₂催化剂在CO₂甲烷化过程中的可能反应路径

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726048059

这两项研究面向国家“双碳”战略需求，聚焦CO₂资源化利用这一碳中和关键技术方向，为发展“CO₂捕集—绿氢利用—催化转化—能源储存”低碳循环技术体系提供了新的材料设计思路和技术支撑。该研究分别获得国家自然科学基金项目（22276098）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（SJCX25_0542）和安徽省教育厅项目（2023AH050173）资助。