南京师范大学能源与机械工程学院郭亚飞副教授所在课题团队与中国石油工程建设有限公司和中石化南京化工研究院有限公司在《洁净煤技术》合作发文。团队构筑了碱金属熔盐修饰Ni/MgO双功能材料，考察了还原温度对其CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响机制，提出了高浓度H2低温还原催化剂的补偿策略，在维持碱金属熔盐稳定和CO2吸附性能的条件下提升Ni/MgO双功能材料的甲烷化性能。结果可为Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化性能强化提供指导，并为其CO2吸附-催化一体化应用奠定理论基础。
还原温度对熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响机制
宋菁1，郭本帅2，郭亚飞2,3，赵传文3
1.中国石油工程建设有限公司
2.中石化南京化工研究院有限公司
3.南京师范大学 能源与机械工程学院
1）构筑了高效的Ni/MgO双功能材料，实现了烟气CO2捕集-转化一体化集成，解决温室气体减排问题，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系奠定基础。
2）揭示了还原温度对Ni/MgO双功能材料CO2吸附-原位甲烷化“构效关系”的影响机制，获得了Ni/MgO双功能材料CO2吸附-催化性能的强化策略。
研究背景
CO2捕集-转化一体化技术是实现烟气CO2减排和洁净能源高效存储的重要策略，兼具高吸附容量和催化活性的双功能材料构筑是关键。碱金属熔盐修饰Ni/MgO双功能材料在CO2吸附-甲烷化中极具应用前景。目前，Ni基吸附-催化双功能材料的原位催化活性与Ni物相的还原程度相关，且Ni还原高度依赖于还原温度。高温还原可能诱导碱金属熔盐分解损失和活性组分Ni烧结，对双功能材料的CO2吸附和催化性能产生不利影响。因此，亟需探明还原温度对碱金属熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响规律，寻求最佳的还原温度。
研究内容
制备了碱金属熔盐修饰Ni/MgO双功能材料，并基于热重分析、XRD、H2-TPR和H2脉冲滴定测试对其物化性质进行表征分析。基于固定床反应器探究了反应温度对其(作为CO2吸附剂时)CO2吸附容量和吸附动力学性能的影响规律，明晰了反应温度和还原温度对其(作为甲烷化催化剂时)催化性能的影响机理。重点阐述了还原温度对其(作为双功能材料时)CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响机制。
研究结论
1）还原温度提高导致碱金属熔盐失稳分解，材料的CO2吸附容量呈现急剧衰减的趋势。还原温度提高有利于NiO还原，可提高CH4产量、CO2转化率和CH4选择性。
2）10NaNO3-Ni/MgO双功能材料(NaNO3负载量为10%)在450 ℃还原后，CO2吸附容量和转化率分别为6.46 mmol/g(以CO2计)和79.37%，CH4产量和选择性分别为0.85 mmol/g(以CH4计)和96.27%。
3）提高还原H2浓度可作为补偿策略，在保证熔盐稳定的前提下，促进NiO高效还原，显著提升Ni-MgO双功能材料的CO2吸附-催化性能。
图1 材料的热分解特性
图2 不同样品的还原特性
图3 还原温度对10NaNO3-Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化性能的影响
引用格式：
宋菁,郭本帅,郭亚飞,等.还原温度对熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响机制[J].洁净煤技术,2023,29(4):158-167.
SONG Jing,GUO Benshuai,GUO Yafei,et al.Effect of reduction temperature on the integrated CO2 capture and methanation performance of NaNO3 modified Ni-MgO dual function materials[J].Clean Coal Technology,2023,29(4):158-167.
通讯作者
郭亚飞，南京师范大学能源与机械工程学院副教授，硕士生导师。专注燃烧烟气CO2捕集与转化利用，长期从事固体吸附剂和催化剂材料研发等基础研究，主持国家级、省部/厅局级项目和企业委托横向课题5项。作为研究骨干参与中石化南京化学工业有限公司等企业委托横向课题7项。以第一作者/通讯作者在能源、化工和环境领域知名期刊Chemical Engineering Journal、Applied Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Fuel、Journal of Power Sources和Energy & Fuels等发表学术论文40余篇，其中SCI收录论文逾30篇，1篇论文曾入选ESI高被引和热点论文，申请发明专利15项。入选江苏省科技副总和南京师范大学中青年领军人才青年学术骨干。
赵传文，南京师范大学教授，博士生导师，能源与机械工程学院副院长。长期从事固体吸附剂CO2捕集与转化利用研究。主持国家自然科学基金面上项目等纵向课题10项，中石化集团等产学研横向项目7项，获授权国家发明专利12件，实用新型专利4件，曾获教育部自然科学二等奖1项。近年来在包括Chemical Engineer Journal、Applied Energy、Separation and Purification Technology、Chemosphere、Fuel等期刊发表学术论文80篇，其中第一/通讯作者学术论文60篇，2篇论文曾入选ESI Hot paper，3篇曾入选ESI高被引论文，发表的论文被能源、化工、环境等领域学术期刊引用近2 000次。获授权国家发明及实用新型专利11件，获教育部自然科学二等奖、江苏省优秀博士学位论文奖和中国青少年科技创新奖各1项，入选江苏省第十三批“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人、南京师范大学中青年杰出人才和南京师范大学“百名青年领军人才培养计划”。指导学生竞赛和省优毕业论文获奖11项。担任各类学术兼职9项，在能源领域国内外学术会议做特邀报告5次，在国际顶级期刊Progress in Energy and Combustion Science受邀发表钾基吸附剂脱碳综述1篇。
低碳能源与绿色储能团队负责人为赵传文教授。团队现有教授1人，副教授4人，讲师2人，在读博士生1人，硕士生27人。2015年起，课题组致力于CO2减排相关基础研究和技术研发，并取得了丰硕的研究成果。近5年来，围绕碱基固体CO2吸附剂开发、CO2捕集-转化一体化、CO2电催化还原、钙循环热化学储能、碱基固废CO2矿化固定和太阳能光伏光热综合利用等方向，课题组承担国家自然科学基金6项，江苏省纵向科研课题10余项，企业委托横向课题10余项。在能源化工相关领域共发表论文逾百篇，申请发明专利多项。
