Nature子刊:鎳基反相催化劑

將沼氣提質為管輸級天然氣（>95%CH4）是提升沼氣價值的關鍵路徑。沼氣直接甲烷化雖具前景，但受限于傳統鎳（Ni）基甲烷化催化劑性能不足，需采用循環或多段工藝作為工程補償。

2026年1月7日，浙江大學廖祖維，北京大學馬丁，浙江工業大學林麗利在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Economical biogas direct methanation to pipeline grade natural gas via structured Ni based inverse catalyst》的研究論文，Xin Tang，Xincheng Zhang，Ziyu Song為論文共同第一作者，廖祖維，馬丁，林麗利為論文共同通訊作者。

在本文中，作者通過流程模擬與經濟分析，證明單段甲烷化在固定投資與運行成本上均顯著優于常規路線；開發并放大了一種CeZrOx/Ni結構反相催化劑，該催化劑生長在多孔Ni-foam上，比粉體反相催化劑具有更高的比表面積和更強的水移除能力。其出色的低溫活性使沼氣中CO2轉化率達近平衡值97.8%，從而通過單段甲烷化直接生產管輸級甲烷。憑借催化劑與工藝的創新，利用工業副產物氫氣將沼氣轉化為低碳甲烷的成本可與天然氣競爭。

沼氣是有機物厭氧發酵產物，被視為可就地滿足炊事與電力需求的可再生能源，可在減少有機廢棄物與溫室氣體排放兩大挑戰中發揮雙重作用。國際能源署數據顯示，全球沼氣潛力已與年天然氣消費量的相當；高效利用可在樂觀情景下削減超十億噸溫室氣體排放。然而沼氣僅含50-70%甲烷，需脫除雜質（主要為CO2）并提質至管輸級天然氣，方能進入國家或國際天然氣管網。

目前示范工藝多采用變壓吸附、膜分離或化學吸收等物理-化學手段脫除CO?，但所得高濃度CO2常被廢棄，除非另加利用單元。替代策略——沼氣直接甲烷化——將提質與甲烷化合二為一，可充分利用CO2并使甲烷產量近乎翻倍。管輸級天然氣要求CH4>95%、H2<5%，因此直接甲烷化需使CO2轉化率達97.3-98.2%（依沼氣CO2含量而異）。受反應熱力學限制，單段反應器須在≤242-337°C下操作。

傳統鎳基Sabatier催化劑低溫活性差，CO2轉化率常<90%，出口CH4僅70-85%，無法達標；現有商業示范被迫采用350-500°C高溫，并配合單段循環或多段串聯及中間脫水等復雜工程，導致投資與運行成本高昂，在經濟欠發達、沼氣資源豐富的農村、牧場與垃圾填埋場難以推廣。因此，開發可在低溫下實現高轉化率的先進催化劑，成為解鎖單段甲烷化技術的關鍵。

反相催化劑（氧化物納米顆粒分散于金屬基底）近期在CO2甲烷化中表現突出，CeZrOx/Ni與ZrO2/Ni體系可在200°C實現>90%轉化率，顯示出單段沼氣甲烷化潛力。然而，粉體反相催化劑成型后金屬利用率低，傳熱傳質受限，水熱穩定性差。Ni-foam骨架具有優異的傳熱傳質性能，將Ni基反相活性位點構筑于其上，可望提升表觀性能與壽命。

本研究首次證明CeZrOx/Ni/Ni-foam結構反相催化劑可實現單段直接甲烷化，固定投資比單段循環與多段工藝分別降低38%與11%，運行成本再降33%與15%；催化劑活性比粉體提高，對氫價敏感度下降，可利用化石副產氫盈利；面向中國2050年綠氫情景，可在國土14.7%區域內生產與管輸氣價格競爭的零碳生物甲烷。

圖1：沼氣升級工藝與經濟對比。圖解物理/化學分離與直接甲烷化路徑，給出單段（SS）、單段循環（SSC）與多段（MS）三種流程；模擬顯示SS固定投資比SSC、MS分別降38%與11%，運行成本再降33%與15%，為一步法奠定經濟可行性。

圖2：結構化反相催化劑制備與反應性能。Ni泡沫骨架上生長CeZrOx/Ni反相界面，Ni比表面積提升至58.5 m2 g-1，為粉體3倍；水反應級數由-0.22降至-0.06，加速水脫附；240 °C、1 bar下CO2轉化率97.8%，一步產出>95%CH4，實現低溫窗口突破。

圖3：反相界面精細結構表征。HAADF-STEM顯示~2 nm CeZrOx納米島均勻錨定于NiO連續相；原位XPS證實還原后Ce3+占60%，氧空位豐富；6-40 mm放大制備片活性重現，驗證宏量可擴展性。

圖4：直接沼氣甲烷化活性與穩定性。常壓240 °C即達97.9% CO2轉化，出口CH4≥95%；15bar時200-280 °C全滿足管網標準；60% CO2高負荷下仍保持>96% CH4；350 h連續運行無失活，首次落入熱力學“甜蜜區”，實現單段工藝窗口。

圖5：經濟-地圖評估。灰/藍氫下生物甲烷成本可降至0.6-0.8USDkg-1，與化石天然氣持平；2050年綠氫成本模型顯示單段技術在中國14.7%國土（1.42×106km2）可產低于管價的零碳甲烷，若接受25%綠色溢價則適用面積近半，可消納全國79%沼氣潛力。

綜上，作者設計并放大CeZrOx/Ni/Ni-foam結構反相催化劑，在240 °C、常壓下單段實現97.8% CO2轉化，直接產出>95% CH4管輸級沼氣；該單段工藝固定投資與運行成本分別較傳統路線降38%與33%，可利用廉價副產氫盈利，并在中國14.7%國土上生產與天然氣管網價格競爭的零碳生物甲烷，為低成本分布式沼氣提質與可再生燃氣供應提供可擴展技術路徑。

Economical biogas direct methanation to pipeline grade natural gas via structured Ni based inverse catalyst.

Nat. Commun.

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