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【用户成果】南京航空航天大学刘向雷团队Joule,等离激元催化剂耦合仿生反应器,实现有序、可规模化太阳能驱动甲烷干重整

2026-03-23 19:30:53

DOI：10.1016/j.joule.2025.102304

全文概述

甲烷干重整（DRM）技术可同步转化二氧化碳（CO₂）与甲烷（CH₄）两种主要温室气体，生成高价值合成气（H₂+CO），同时实现太阳能等间歇性能源的化学存储，是兼具能源利用与环保价值的前沿方向。然而，传统太阳能驱动DRM技术面临太阳能-燃料转化效率低、催化剂易因积碳和烧结失活等关键瓶颈，严重制约其规模化应用。南航刘向雷团队联合伦敦帝国理工学院等机构研究者，提出了一种创新策略，通过将等离激元金属纳米合金催化剂与仿生蝴蝶翅膀的泡沫反应器相协同，实现了高效、稳定且可规模化的太阳能驱动甲烷干重整（DRM）过程。该策略成功解决了传统DRM过程中太阳能-燃料效率低、催化剂易因积碳和烧结而失活的关键难题，为利用温室气体生产高价值合成气开辟了新路径。

文章亮点

（1）创纪录的太阳能燃料效率：NiCoZn/MgAlO_x催化剂实现了42.4%的太阳能燃料效率，显著高于以往报道。

（2）有序反应路径：通过等离子体激活初始C-H和C-O键，同时抑制甲烷完全裂解，DRM反应按(*CH+*O=CHO)有序路径进行，避免了(CH=*C+*H)的无序路径。

（3）仿生反应器设计：受蝴蝶翅膀启发设计的双梯度泡沫反应器，优化了光传输、反应物流动和流体-固体能量交换，提高了系统整体效率。

（4）长期稳定性：基于上述催化剂和反应器协同的系统，在无需外部加热的条件下，实现了长达10,000分钟的稳定运行，展示了其在实际应用中的巨大潜力。

图文解析

图1：催化剂设计与表征

图（A）协同策略示意图直观呈现等离子体催化剂与仿生反应器协同实现太阳能驱动DRM的核心设计逻辑。图（B）XRD图谱证实NiCoZn三元合金成功合成，特征峰位置匹配合金相的结构特征。图（C-E）XPS 结果揭示催化剂内电子从Zn向Ni、Co转移，提升了Ni表面电子密度，为LSPR效应激发创造了有利条件。图（F）H₂-TPR曲线证明活性组分与MgAlOₓ载体存在强相互作用，可显著提升催化剂结构稳定性。

图2：NiCoZn/MgAlOₓ催化剂的原子尺度结构与形貌

通过XAS、SEM/TEM、EDS等表征，证实NiCoZn三元合金成功形成；纳米颗粒均匀分散在载体表面，平均粒径仅18.47 nm，各元素分布均匀，具备丰富的催化活性位点。

图3：等离子体催化剂的太阳能驱动 DRM 性能与机理探究

图（A）不同催化剂性能对比图显示，NiCoZn/MgAlOₓ的反应速率、太阳能 - 燃料效率显著优于单/双金属对照催化剂。图（B）催化剂稳定性测试曲线，近10000分钟连续测试中，催化剂的效率、产物比例无明显衰减，具备优异的长期运行稳定性。图（C）与文献报道的太阳能驱动DRM催化剂性能对比，NiCoZn/MgAlOₓ的综合性能跻身非贵金属催化剂前列。图（D）拉曼光谱证实该催化剂的有害活性碳沉积占比最低，抗积碳能力突出。图（E-F）不同温度下CH₄/CO₂转化率及H₂/CO比值变化曲线结果显示，722℃光照下CO₂转化率达82.4%，突破热力学平衡极限，且反应活性随温度升高持续提升。图（G-K）通过Arrhenius方程计算、光强依赖性测试、瞬态光电流响应、光致发光（PL）光谱等手段，证实 LSPR 效应可显著降低反应活化能、延长光生载流子寿命，是催化活性提升的核心机制。

图4：LSPR增强的反应活性与波长依赖性性能

图（A）紫外-可见-红外光谱证实，NiCoZn/MgAlOₓ在440 nm处存在显著的LSPR特征吸收峰。图（B-C）FDTD模拟验证，440 nm光照下催化剂纳米颗粒表面局域电场显著增强，呈现典型的LSPR电荷振荡特性。图（D）反应活性在440 nm波长下达到峰值，与LSPR特征峰完全匹配，直接证实 LSPR 是反应增强的核心原因。图（E）KIE测试证实，光照下LSPR诱导的热电子注入，可通过非热激活机制促进C-H键断裂，强化反应活性。

图5：原位DRIFTS与DFT计算揭示的反应路径与能垒

图（A）原位DRIFTS光谱证实，光照下反应生成关键* CHO中间体，验证了CH₄的有效激活。图（B-C）DFT计算表明，NiCoZn合金可降低CH₄初始C-H键断裂能垒，同时提高CH完全裂解的能垒，且CH氧化为* CHO的能垒远低于积碳路径，从热力学上抑制积碳生成，光照激发态进一步放大了这一优势。图（D）清晰阐明该体系* CH+*O→*CHO的有序反应路径，区别于传统易积碳的无序裂解路径。

图6：仿生双梯度反应器性能

图（A）仿生结构示意图：展示了蝴蝶翅膀启发的TPMS仿生结构设计，并通过3D打印技术构建了仿生多孔泡沫，作为负载NiCoZn/MgAlO_x催化剂的反应器基底。图（B-C）模拟与实测结果证实，双梯度孔径泡沫反应器可实现轴向、径向的均匀温度分布，解决了传统反应器局部过热、光穿透不足的核心问题。图（D）规模化系统测试中，双梯度仿生反应器搭配催化剂实现了41.11%的平均太阳能-燃料效率，近10000分钟运行无明显衰减，性能远优于均匀孔径反应器。

总结与展望

本文通过创新性地结合等离子体元纳米合金催化剂与仿生泡沫反应器，实现了高效、有序且可扩展的太阳能驱动甲烷干重整过程。该研究不仅为DRM技术的规模化应用提供了新思路，也为太阳能的高效利用和温室气体减排开辟了新途径。随着技术的持续迭代，有望在碳中和目标下实现温室气体的规模化转化与高价值利用，为全球能源转型与环境治理贡献核心技术支撑。

作者简介

宣益民，中国科学院院士，南京航空航天大学能源与动力学院教授、博导，长期从事航空航天器热管理、可再生能源利用、先进储能等方面的研究。主持国家自然科学基金重大项目、重点项目、973项目、863项目等项目，获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、全国先进工作者、何梁何利科学与技术进步奖1项、首届江苏省基础研究重大贡献奖等。发表SCI论文200余篇，论文他引20000余次，出版学术专著3部。

刘向雷，南京航空航天大学教授/博导，国家重点研发计划首席科学家，国家海外高层次青年特聘专家，能源与动力学院副院长，综合能源研究院执行院长。2011年本科毕业于西安交通大学能源与动力学院，2016年博士毕业于美国佐治亚理工学院（美国三大理工之一），主要从事航空航天器热管理、绿色航空技术、长时热质储能技术、二氧化碳合成可持续航空燃料等方面的研究工作，主持国家重点研发计划变革性项目（1675万）、国家重点研发计划国际合作项目1项（300万）、国家自然科学基金区域联合基金重点项目（300万）、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项项目（3000万）、内蒙古科技厅大青山项目（1780万）、军委科技委国防科技创新特区项目/基础加强项目/总装项目、国家自然科学基金面上/青年/国际合作项目等多项国家和省部级重点项目。近年来在Joule、Advanced Materials等发表SCI期刊论文160余篇。