综述：对通过干法重整和生物重整甲烷来生产可持续合成气的催化剂设计方法、关键因素及性能趋势的全面分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：A comprehensive analysis of catalyst design methods, key factors, and performance trends for sustainable syngas production via dry and Bi-reforming of methane

　　**Ghulam Mujtaba** | **Syed Muhammad Wajahat ul Hasnain** | **Ahmad Salam Farooqi** | **Bamidele Victor Ayodele** | **Bawadi Abdullah**
**马来西亚霹雳州Bandar Seri Iskandar的PETRONAS技术大学化学工程系，邮编32610**

**摘要**
随着温室气体排放（尤其是二氧化碳和甲烷）的增加，迫切需要有效的减缓策略。干重整（DRM）和甲烷双重整（BRM）为将这些气体转化为合成气提供了可行的途径，而合成气是燃料和化学品的关键中间体。然而，由于烧结和积炭导致的催化剂失活限制了这些技术的大规模应用。本综述批判性地评估了催化剂设计的最新进展，重点关注活性位点工程、金属-载体相互作用、氧化还原性质以及抗积炭能力。基于镍的催化剂（Ni、Ni–Co、Ni–Y、Ni–La）由于具有高活性和低成本而在工业上具有可行性，尽管它们容易失活。CeO2–ZrO2、MgO、Al2O3和SBA-15等载体材料可以提高催化剂的分散性和氧的迁移能力，而助催化剂（Fe、Sm、Sc）则能增强其耐久性。一个关键的认识是，催化剂的性能取决于结构和化学参数的协同优化，而不仅仅是单一因素。BRM由于蒸汽辅助的积炭抑制作用通常表现出更好的稳定性，但其可扩展性和长期稳定性仍面临挑战。

**引言**
快速的工业增长和对化石燃料（如煤、石油和天然气）的依赖对两个重要全球问题产生了重大影响：能源安全和环境可持续性[1]。由于这种依赖，温室气体排放（尤其是CO2和CH4）不断增加，导致气候变化、生物多样性丧失以及更加极端的天气现象[2,3]。通过碳利用技术，CO2和CH4等温室气体可以转化为有价值的产物，从而造福经济并减少污染[4]。在这方面，大量研究探索了向清洁能源过渡的途径[5]、先进钻井技术[6]、高效压裂技术[7]以及这些技术在减少排放和限制生态破坏中的作用[9,10]。这些策略有可能显著减少温室气体排放，并有助于经济的长期发展。使用催化剂将这些温室气体转化为合成气是生产对环境友好的化学品和能源的最佳方法之一[11,12]。合成气由一氧化碳（CO）和氢气（H2）组成，是生产清洁燃料（如甲醇、合成柴油和二甲醚）的关键步骤。它还可以替代化石燃料用于发电[13], [14], [15]。尽管CO2和CH4是强效的温室气体，但它们都可以转化为合成气，这意味着它们可以同时帮助减少排放并产生能源[16,17]。全球范围内合成气的使用正在迅速增长，亚太地区处于领先地位，这主要得益于甲醇制烯烃和甲醇制丙烯的技术[18]。2007年至2013年间，该地区的合成气产量年均增长了约3-3.2%，这一趋势预计将持续[19,20]。合成气正被视为开发可持续且碳中和能源系统的关键方法，可用于交通运输、发电、肥料生产和清洁燃料生产[21]。

**用于生产合成气的工业方法**
最广泛使用的工业方法是重整工艺。已经开发了几种直接将CH4和CO2转化为合成气的技术，每种技术都有其独特的优缺点[22]。甲烷蒸汽重整（SRM）是一种常见的催化过程，可将CH4和蒸汽转化为H2和CO（合成气）[23]，该过程具有高H2产率，适用于工业应用，并且无需氧气[24], [25], [26]。
**干重整（DRM）**是一种环境友好的工艺，可将两种主要温室气体CH4和CO2转化为有价值的合成气（H2和CO）[22]，是费托合成（Fischer–Tropsch synthesis）的关键原料。与SRM相比，DRM具有更简单的进料系统。然而，由于其高度吸热的性质、较低的H2/CO比例（主要是由于逆水煤气变换反应（RWGS）以及催化剂快速失活和碳沉积的问题[27], [28], [29]，限制了其广泛应用。甲烷部分氧化（POM）也是一种放热过程，可将甲烷或天然气转化为H2/CO比为2:1的合成气[23], [31], [32]。
**甲烷双重整（BRM）**结合了DRM和SRM的最佳特性[24], [33], [34], [35]：它利用天然气或烟气中的CO2，不仅减少了温室气体排放，还能实现理想的H2/CO比例（约2:1），有利于下游过程（如甲醇合成和费托合成）。在CO2和H2O同时存在的情况下，催化剂更加稳定，积炭也更少。因此，BRM是一种更高效、更环保的合成气和氢气生产方法。

**催化剂的作用**
大量研究表明，催化剂在这两个过程中起着关键作用，影响着反应路径和合成气的可持续高效生产[41-, 40-, 37-, 38-, 39-, 42-, 43-, 44-, 45-]。例如，Usman等人[41]研究了DRM催化剂，重点关注基于镍的单金属和双金属系统、载体、助催化剂以及粒子大小和反应器设计对减少积炭的影响；Hasnain等人[40]则关注BRM，强调Ni和Co催化剂、载体及助催化剂在低温下的稳定性、分散性和性能提升作用；Chan等人[42]从过程角度研究了BRM，评估了操作条件、动力学、反应器改进以及低碳合成气的经济效益。本综述分析了活性金属（如Ni、Co）和贵金属（如Rh、Ru、Pt）的最新应用进展，以及载体和助催化剂对提高金属分散性、热稳定性和抗积炭能力的影响。比较分析显示，BRM在抗积炭方面具有优势，这归功于蒸汽的存在。通过控制合成过程、调整颗粒大小和增强金属-载体相互作用，可以优化催化剂性能，从而将实验室成果转化为实际应用[46-, 47-]。

**结论与展望**
DRM和BRM代表了同时利用CO2和CH4生产合成气的有前景的途径，具有环境和能源的双重优势。然而，由于烧结和碳沉积导致催化剂失活，大规模应用仍然面临挑战。因此，催化剂设计应专注于开发在高温度下仍具有高活性、稳定性和市场适用性的材料。

**作者贡献声明**
Ghulam Mujtaba：撰写 - 审稿与编辑、原始草案编写、方法论开发、数据分析、概念构建
Syed Muhammad Wajahat ul Hasnain：撰写 - 审稿与编辑、数据分析、概念构建
Ahmad Salam Farooqi：撰写 - 审稿与编辑、监督工作、方法论开发
Bamidele Victor Ayodele：撰写 - 审稿与编辑、监督工作、资金筹集、概念构建
Bawadi Abdullah：撰写 - 审稿与编辑

**利益冲突声明**
作者声明没有已知可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢马来西亚PETRONAS技术大学的财政支持（项目编号015PBC-050），以及沙特阿拉伯国王费萨尔大学研究生院和科学研究部的资助（项目编号KFU262437）。