集成二氧化碳捕集與甲烷化轉化研究進展

郭真良，卞曉律，杜宇搏，張紋超，姚丁丁,2,*，楊海平

（1. 華中農業(yè)大學工學院,湖北 武漢 430070；2. 農業(yè)農村部水產養(yǎng)殖設施工程重點實驗室,湖北 武漢 430070；3. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074）

能源是人類社會賴以生存的基礎，是人類社會發(fā)展不可或缺的物質條件。目前，化石燃料在全球能源消費市場中仍然占據(jù)主導地位。然而，化石能源利用過程伴隨大量的溫室氣體排放，據(jù)聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會(IPCC)研究顯示，化石燃料燃燒和工業(yè)生產過程中二氧化碳的排放占所有溫室氣體排放增量的78%。2021 年中國能源活動帶來二氧化碳排量總量高達9.899 億噸，占世界碳排放總量的30.69%，是最大能源消費國與碳排放國[1]。而大量碳排放造成了一系列全球變暖、極端天氣等環(huán)境問題。秉持綠色、高質量發(fā)展理念，中國提出“碳達峰、碳中和”宏偉目標[2]。減少能源利用過程碳排放，開發(fā)高效的二氧化碳捕集與利用技術，對于實現(xiàn)中國雙碳目標具有重要意義。

1 碳捕集與利用及CO2 甲烷化反應

為了減少碳排放，可采取優(yōu)化能源結構、加速電氣化進程、減少非必要能源消耗、使用碳匯集或移除等措施。二氧化碳捕集與儲存(CCS)是一種將空氣或者工業(yè)廢氣中的CO2捕集起來，并通過管道運輸將高濃度CO2封存至海洋或地下的技術，可大規(guī)模降低大氣CO2含量[3]，然而該技術長期使用對生態(tài)環(huán)境帶來潛在影響和高成本限制了其發(fā)展。因此，基于CO2的捕集和利用(CCU)技術近年來受到了更廣泛的關注，即將捕集的CO2通過化學轉化如熱、電、光催化實現(xiàn)增值化轉化[4-7]。表1 總結了近年來二氧化碳捕集和利用的相關技術，并就優(yōu)缺點做以總結。在此基礎上，集成二氧化碳捕集利用是一種發(fā)展趨勢，是將捕集與利用過程集成在一起，實現(xiàn)原位捕集利用，節(jié)約壓縮和運輸帶來的成本。特別是近年來，越來越多的CO2處理方法研究都隨著ICCU 展開，以此來高效低成本的實現(xiàn)CO2增值化利用。

表1 CO2 的捕集和利用Table 1 Summary of CO2 capture and utilization technology

為實現(xiàn)二氧化碳的轉化，1902 年Paul Sabatier提出甲烷化技術。CO2甲烷化目前被認為是實現(xiàn)碳循環(huán)利用最實用有效的技術之一[21]，也是目前控制二氧化碳排放的研究熱點之一。甲烷是最簡單的有機物，也是含碳量最小，含氫量最大的烴，它可作為工業(yè)上生成氫氣、炭黑、一氧化碳、乙炔、氫氨酸及甲醛等物質的原料，同樣是溫室氣體，但作為能源與其他化石能源相比，甲烷具有更高的燃燒值且燃燒過程潔凈安全，可用于交通運輸、家庭供暖和發(fā)電廠[22]。二氧化碳甲烷化是一種減少二氧化碳排放的有前景的處理方式，其反應方程式如下：

通過雙功能材料(DFMs，Dual function materials)可實現(xiàn)CO2吸附、脫附和原位轉化利用。DFMs的核心部分由CO2吸附劑和金屬催化劑組成。由于剛制備出的DFMs 樣品會吸收少量空氣中的CO2和H2O，因此，反應之前會先經歷預還原步驟[23]。集成二氧化碳捕集與甲烷化過程主要包含兩個過程，首先在一定溫度下捕集CO2至吸附劑飽和，緊接著進行CO2的轉化，即將飽和DFMs 置于還原性氣氛H2中，氫氣和吸附的CO2通過反應(1)生成CH4，同時完成吸附劑的再生，上述步驟構成了一次完整的集成二氧化碳捕集與甲烷化過程。由于能實現(xiàn)原位吸附和轉化，所以在單個反應器內就可完成整個過程。通過多次循環(huán)，可實現(xiàn)二氧化碳的連續(xù)捕集和原位轉化為甲烷和其他衍生物，其過程示意圖如圖1。在催化條件下，其反應在中溫條件(300 ℃左右)即可進行，并且有良好的循環(huán)性能，簡化了工藝流程，提高了能源效率。

圖1 利用DFMs 進行集成CO2 的捕集和轉化系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of integrated CO2 capture and conversion system using DFMs

然而，甲烷化反應過程伴隨著其他副反應(2)-(5)的發(fā)生，造成雙功能材料燒結或積炭失活、CO2轉化率的降低、產物甲烷的含量和產率受到影響。因此，綜述該過程關鍵因素對于提高整個工藝的效率至關重要。后續(xù)內容將重點概述應用于集成CO2捕集與甲烷化過程的雙功能材料的選擇，以及影響該過程的重要反應參數(shù)等相關研究。

2 用于集成CO2 捕集與甲烷化的雙功能材料

在實際的工業(yè)應用中，雙功能材料可先將工業(yè)廢氣中的CO2捕集起來，然后利用電解水產生的氫氣，進行甲烷化反應，如圖2 所示。典型雙功能材料主要包括三個部分：吸附劑、催化劑和載體，其中的核心部分為吸附劑和催化劑，它們主要實現(xiàn)了二氧化碳的吸附和催化轉化功能。

圖2 雙功能材料在工業(yè)化反應器上的應用示意圖[24]Figure 2 Schematic diagram of application of dual function materials in industrial reactor[24](with permission from Elsevier)

2.1 雙功能材料中的吸附劑

DFMs 中吸附劑的作用是選擇性地捕集CO2，通常由堿金屬氧化物組成。常見吸附劑有CaO、Na2O、MgO 和K2O，可從工業(yè)尾氣或者空氣中直接捕集不同濃度的CO2。其中，CaO 由于其低廉的成本和較高的吸附量而被廣泛使用，但CaCO3的燒結溫度在530 ℃附近[25]，意味著以CaO 為吸附劑的DFMs 在高于530 ℃的溫度下完成多次循環(huán)時會帶來不同程度的燒結[26]，因此，防止CaO 在循環(huán)過程中的燒結是關鍵?？禆|芮[27]以Ca(NO3)2·4H2O、Ca(ClO)2和CaCl2為前驅體，使用溶膠凝膠法制備了CaO 吸附劑，發(fā)現(xiàn)以Ca(NO3)2·4H2O 為前驅體制備的CaO 對CO2的吸附量最大，且通過表征發(fā)現(xiàn)其表面呈均勻小顆粒狀，結構蓬松，晶粒間空隙較多，這得益于Ca(NO3)2·4H2O 和C6H8O7·H2O 在 制備過程中的共同作用。Jo 等[28]討論了CaO 吸附劑在不等溫下(500-700 ℃)的甲烷化性能，盡管高溫下獲得了相當高的產量(14.94 mmol/gDFMs)，但在較低溫度500 ℃下獲得了更好的循環(huán)性能。以Na2O 為吸附劑的DFMs 在多次循環(huán)后能保持良好的吸附和轉化性能。Bermejo-López 等[29]采用順序浸漬法和共浸漬法制備了Na2O 基DFMs，在20 次循環(huán)之后CO2捕集量保持穩(wěn)定，且物理化學性質與原始催化劑近似，CO2捕集能力和CH4產量隨著溫度的升高而增加。該研究組進一步對比了CaO 和Na2O 吸附劑，發(fā)現(xiàn)以CaO 為吸附劑的DFMs的CH4產量更高，但以Na2O 為吸附劑的DFMs 的甲烷化反應激發(fā)溫度更低，代表能源損失更低。He 等[30]對比了Na2O、K2O、CaO 和MgO 吸附劑，發(fā)現(xiàn)相對于其他吸附劑來說，Na2O 活性更高。Cimino等[31]使用Li2O 吸附劑在變溫下驗證其性能，發(fā)現(xiàn)該樣品在263 ℃下也能完成甲烷化，在293 ℃時CH4選擇性接近100%，在280 ℃的中低溫下有相比其他溫度更良好的性能。MgO 的燒結溫度在1000 ℃以上，代表其在多次循環(huán)中能更好地避免類似于CaO 和Na2O 吸附劑帶來的燒結問題，同時其成本低廉應用性更為廣泛。Sun 等[24]以MgO 為吸附劑制備DFMs 能完成多次循環(huán)，性能良好且產率較高(7.07 mmol/gDFMs)，并發(fā)現(xiàn)在MgO 吸附劑中摻雜堿金屬化合物以形成多齒碳酸鹽能有效地提高CO2的吸附量。此外，Duyar 等[32]使用K2O作為吸附劑并驗證了以K2O 為吸附劑的DFMs 也有成良好的循環(huán)性能。

多種金屬氧化物的混合吸附劑也有良好的性能，CO2是一種酸性氣體，DFMs 的堿性強度會影響集成CO2捕集與甲烷化過程尤其是二氧化碳吸附過程。作為吸附劑的Na2CO3和CaO，前者表現(xiàn)為弱堿性，而后者呈現(xiàn)強堿性[29,33]。Bermejo-Lopez等[23]通過調整Na2CO3和CaO 吸附劑的質量比例來提供不同堿性強度的反應氛圍，堿性強度增加時，會獲得更好的催化活性并改善CO2的吸附能力[34,35]，在Na2CO3和CaO 比例為1∶1(共占DFMs 的16%)，反應呈中等堿度氛圍時，CH4的產量和選擇性（99%），比弱堿（吸附劑全由Na2CO3組成)和強堿（吸附劑全由CaO 組成）氛圍下要高，這是由于兩種吸附劑的摻雜增加了介質堿度，同時改善了Ru 基催化劑的分散性，促進了這些金屬與CH4之間的吸附和堿性強度的提高。Lee 等[36]做了類似的研究，在CaO 吸附劑中摻雜Na2CO3，發(fā)現(xiàn)Na 元素的引入能顯著提高吸附劑的吸附量和吸附再生的速率，并且能有效改善CaO 燒結帶來的循環(huán)性能問題。Al-Mamoori 等[37]也對CaO 進行了堿度的改性，以CaO 為吸附劑，對比摻雜Na2CO3和K2CO3對其進行改性，在300 ℃以上進行多次CO2吸附解吸實驗，發(fā)現(xiàn)在650 ℃以上時吸附量明顯降低，吸附量很大程度上受K 或Na 元素濃度的影響，并且摻雜K 元素比Na 元素有更高的吸附量和更好的穩(wěn)定性。

單相吸附劑吸附量較低，并不能很好地滿足規(guī)模化集成CO2捕集與甲烷化循環(huán)的要求。于是，開發(fā)高效多相吸附劑或對其進行改性將是后續(xù)研究的重點方向。Sun 等[38]通過在CaO 中摻雜KIT-6 改性材料來提高其循環(huán)性能，發(fā)現(xiàn)在CaO與KIT-6 質量比為2∶1 時，獲得了最好的性能，對CO2的吸附容積達7.6 mmol/g，并且在10 個吸附煅燒循環(huán)中具有良好的穩(wěn)定性，這歸因于CaO與KIT-6 的二氧化硅骨架之間的相互作用，形成CaSiO3和CaSiO4，從而增強抗燒結能力。Gao 等[39]在CaO 吸附劑中添加了介孔硅質泡沫MCF 發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，MCF 和CaO 形成了CaSiO4，抑制了CaO 的燒結，并且在CaO 和MCF 質量比為3∶1時循環(huán)性能最好。此外，活性炭[40]、沸石分子篩[41]、MOFs[42]、多孔有機聚合物[43]等也是CO2的優(yōu)良吸附劑，未來有潛力開發(fā)利用作為集成CO2捕集與甲烷化的吸附劑。

2.2 雙功能材料的催化劑

實現(xiàn)CO2捕集與甲烷化的雙功能材料的催化劑主要是實現(xiàn)二氧化碳被吸附后與氫氣反應生成甲烷的作用。以圖3 為例，CaO 吸附劑吸附CO2至飽和后進行加氫反應，在Ni 基催化劑的催化下生成甲烷。實現(xiàn)二氧化碳甲烷化的催化劑主要是一些過渡金屬以及貴金屬催化劑。

圖3 甲烷化機理示意圖[27]Figure 3 Schematic of methanation mechanism[27](with permission from Elsevier)

Ni 基催化劑相比貴金屬催化劑因較低成本和較高的甲烷選擇性在研究中被廣泛使用[25,44-47]。Bermejo-López 等[29]比較不同的鎳含量對集成CO2捕集與甲烷化的影響時發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內鎳含量的增加會增加DFMs 的CO2捕集量并且會增加產物中CH4的選擇性。Ma 等[45]制備了以Ni 為催化劑同摻雜各種金屬氧化物(ZrO2、MnO2、La2O3等)為助劑的DFMs，發(fā)現(xiàn)ZrO2助劑的性能最好，體現(xiàn)在CO2捕集量和目標產物的選擇性，并得出了在集成CO2捕集與甲烷化反應中，甲烷化反應發(fā)生在催化劑上，逆水煤氣反應發(fā)生在吸附劑上的重要結論。然而，在實際應用中，空氣或煙氣中的氧氣易使Ni 氧化，導致其在甲烷化過程中失去活性，因此，在反應中需要進行合適溫度下(600 ℃左右)的預還原或加氫再生處理。為了解決Ni 在有氧環(huán)境下的失活，Arellano-Trevi?o 等[48]在以Ni為催化劑的DFMs 中添加了少量鉑族金屬（Ru、Pt、Pd），發(fā)現(xiàn)鉑族金屬的添加可降低NiO 的還原溫度，提高催化活性，并在含有一定氧氣的條件下完成甲烷化反應，經過對比，摻雜1%Ru 的DFMs具有最優(yōu)的CO2吸附量和CH4產量。

Ru 基催化劑作為另一種應用廣泛的催化劑，也表現(xiàn)出了良好的催化性能，且含氧氛圍下的集成CO2捕集與甲烷化循環(huán)性較好。研究者發(fā)現(xiàn)，在MgO 吸附劑中添加Ru 作為催化劑，隨著Ru 含量的增加，甲烷的產量也隨之增加，循環(huán)性能先增加后減少，摻雜5%Ru 的DFMs 表現(xiàn)出最好的循環(huán)性能，10 個循環(huán)后性能衰減最小[24]。Sun 等[44]探究了以CaO 為吸附中心和以Ru 為活性位點之間距離對甲烷化的影響，發(fā)現(xiàn)以物理混合作為DFMs的制備方式時，甲烷產量較低，原因是吸附中心和活性位點之間的距離相較與其他制備方式較遠，使CO2難以被催化轉化為CH4。Jeong-Potter 等[49]研究了Ru 基催化劑在模擬空氣的條件下DFMs的甲烷化性能，在摻雜Ru 基催化劑時，Ru 雖然會被氧化，但在還原步驟時會迅速重新激活，以此提出在摻雜Ru 基催化劑的DFMs 能在高含氧、低CO2濃度條件下完成多次循環(huán)。Jeong-Potter 等[50]同樣使用Ru 為催化劑，在模擬空氣和含水蒸氣條件下探究了甲烷化性能，發(fā)現(xiàn)摻雜Ru 基催化劑的DFMs 能在空氣中直接捕集CO2完成CO2捕集與甲烷化過程，并獲得了100%的甲烷選擇性。

除Ru 和Ni 基催化劑外，Rh、Pt、Pd 等也可作為集成CO2捕集與甲烷化的良好催化劑。Duyar等[32]對比了Ru、Ni、Rh 等六種金屬基催化劑的CO2捕集與甲烷化活性，如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)這些金屬的活性順序為Ru～ Rh >Ni >Pd >Co >Pt。Ru、Rh 和Ni 較高的催化活性主要歸因于其能顯著降低反應的活化能，使反應激發(fā)溫度降低，達到快速實現(xiàn)甲烷化和降低能耗的目的。在對集成CO2捕集與甲烷化的探索中，關于催化劑的研究已有了一定的進展，但是貴金屬催化劑帶來的成本問題不容忽視，開發(fā)性能更加優(yōu)良且成本低廉的催化劑將會是未來重要的發(fā)展方向。

圖4 不同金屬催化劑對于二氧化碳甲烷化產物氣中CH4 濃度的影響[32]Figure 4 Influence of metal catalysts on CH4 concentration in the carbon dioxide methanation product[32](with permission from Elsevier)

2.3 雙功能材料的載體

載體作為DFMs 中的另一個主要成分，其作用主要是增加材料的比表面積、延緩吸附劑燒結、提高金屬催化劑的分散度、防止金屬聚集等，以此來改善反應過程的吸附能力和催化活性。用于DFMs 常見的載體有Al2O3[51-54]和CeO2[24,44]。Al2O3載體由于其多孔性、大比表面積、高分散性等優(yōu)點而被廣泛應用于各個領域。在集成CO2捕集與甲烷化循環(huán)中，Al2O3載體可以增加還原步驟和加氫步驟的反應速率，節(jié)約時間成本，但載體并不總是帶來積極的作用，在和Ni 基催化劑同時使用時，碳化階段形成的NiO 會和Al2O3生成穩(wěn)定的NiAl2O4鎳鋁尖晶石，其還原溫度高于800 ℃，在加氫還原階段不能被還原為Ni 單質，導致催化劑的快速失活。CeO2作為另一種廣泛應用的載體，也表現(xiàn)出良好的性能。Sun 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，CeO2除了分散吸附劑和金屬催化劑來延緩燒結以外，還可以通過物理吸附來增加碳捕集量，從而使更多的CO2參與反應提高產物產量。但當CeO2在加氫還原步驟時，并不會促進反應速率的增加，同時還面臨著CeO2還原為Ce2O3，從而增加耗氫量，降低反應過程的經濟性等問題。

在集成CO2捕集與甲烷化中，針對于載體的研究報道還比較少，各組分尤其是吸附劑、催化劑金屬與載體間相互作用的機理尚不明確，選擇CO2甲烷化中性能較優(yōu)的載體用于集成CO2捕集與甲烷化中將會是可行方案。SiO2載體由于其耐磨性好、比表面積大等特點被廣泛應用于CO2甲烷化中，張錦川等[55]使用SSZ-13 載體負載Ni 基催化劑完成甲烷化反應時發(fā)現(xiàn)，該載體良好的孔道結構對Ni 納米顆粒具有封裝效應，阻礙了Ni 納米顆粒在高溫下的燒結團聚。劉華平等[56]使用ZrO2載體負載鐵、鈷、鎳等金屬，探究了不同金屬催化CO2甲烷化的反應性，發(fā)現(xiàn)Ni/ZrO2的反應條件易控制、選擇性好、成本低。高美琦等[57]以Ni 為催化劑對比了TiO2、MCM-41 和Al2O3載體間的CO2甲烷化性能，發(fā)現(xiàn)Ni 在TiO2載體上的還原難度降低，Ni 活性位點多且分散程度高，催化性能最好。張榮斌等[58]也以Ni 為催化劑對比了石墨烯、活性炭和碳納米管載體間的CO2甲烷化性能，發(fā)現(xiàn)以石墨烯為載體能在低溫下表現(xiàn)出比其他載體具有更高的CO2轉化率和CH4選擇性，這是由于石墨烯的大比表面積使Ni 更好的分散，而含氧基團的存在增加了金屬-載體間的作用力。相對于集成CO2捕集與甲烷化技術，CO2甲烷化載體的研究較為充分，因此，探討CO2甲烷化載體是否適用于該技術和開發(fā)出性能優(yōu)良的載體增加各組分之間的相互作用有待進一步的研究。

3 反應條件對集成CO2 捕集與甲烷化過程的影響

3.1 反應溫度

除了前文所述雙功能材料種類和組成特性，反應參數(shù)對于集成CO2捕集與甲烷化過程的調控也至關重要。反應溫度是影響反應過程的重要因素之一，主要體現(xiàn)在對吸附過程以及催化活性的影響上。Bermejo-López 等[29]揭示了反應溫度對不同吸附劑的CO2捕集量及甲烷化反應性的影響。在200-500 ℃，隨著溫度的升高，CaO 的吸附性能先增加后趨于平穩(wěn)，而Na2O 的吸附性能則先增加后略有降低。并且發(fā)現(xiàn)，盡管使用不同雙功能材料，但是隨溫度升高，副反應（2）均會被逐漸激發(fā)，導致CO 產量增加而甲烷化效率降低（圖5）。Jo等[28]比較了500、600 和700 ℃下的甲烷化性能，如表2 所示，研究發(fā)現(xiàn)，在500 和600 ℃下，CH4選擇性分別達到了93%和96%，而在700 ℃時選擇性降至29%，表明在高溫下副反應逆水煤氣反應（2）占據(jù)主導，導致CH4產量急劇減少。Zheng 等[59]在280、300、320 和350 ℃下分別測試了DFMs 的甲烷化性能，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，CO2的吸附能力會有所下降，且發(fā)現(xiàn)反應溫度過低時（280 ℃）難以激發(fā)催化劑的活性，明顯降低CH4產量。在320 ℃時反應性能最佳，CO2吸附量和CH4產率分別達到32.41 和31.56 mL。Cimino 等[31]在230-350 ℃下探究以Li2O 為吸附劑的DFMs 的集成CO2捕集與甲烷化性能時，也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律，即隨著溫度的升高，CH4選擇性有所下降。

表2 溫度對CH4 產量和選擇性的影響[28]Table 2 Influence of temperature on CH4 yield and selectivity[28]

圖5 溫度對集成CO2 捕集與甲烷化技術的影響[29]Figure 5 Influence of temperature on integrated carbon dioxide capture and methanation technology[29](with permission from Elsevier)

整體上，溫度對于集成CO2捕集與甲烷化過程影響較大。而甲烷化作為放熱反應，在低溫區(qū)相比其他吸熱的副反應（(2)-(5)）反應性更高。在高溫(>600 ℃)時，逆水煤氣反應（2）逐漸成為主反應，同時，CO2吸附速率、碳轉化率、CH4選擇性和生成速率都會受到制約，也會面臨催化劑在高溫下失活的問題。因此，在確定目標產物的前提下，通過改變反應溫度來調控反應性是至關重要的。吸附過程和甲烷化過程的溫度匹配也是一個需要重點探討的問題，常用吸附劑(如CaO、Na2O)對CO2吸附的合適溫度在400-500 ℃[29]，Li2O 和MgO 在200-300 ℃[31,60]，并且大量關于CO2甲烷化的研究表明，即使在使用不同的催化劑和載體的情況下，甲烷化反應的最佳活性都集中在300-500 ℃，如Ni/SSZ-13[55]、Ni/RGO[58]和Co/TiO2[61]等。因此，兩個過程反應溫度的匹配與調節(jié)，對于集成CO2捕集與甲烷化整體工藝的可操作性、能耗等，都有著重要意義。然而，當前的實驗研究大多都是在等溫的吸附和還原的條件下進行的[23,31,44]，不等溫條件下的反應性相關的研究報道還較少，有待進一步探討。另外，在實際應用中，工業(yè)排放口產生廢氣時，會有一定溫度的余熱，或可將雙功能材料與其適配，將廢氣中的CO2就地利用和轉化，提高能源利用效率同時，快速解決工業(yè)尾氣中溫室氣體排放的問題。

3.2 反應時間

集成CO2捕集與甲烷化涉及兩個反應，對CO2的吸附過程和CO2的甲烷化過程，反應時間也會對這兩個過程的反應特性帶來影響。

Wang 等[51]用Na2O 作為吸附劑、Ru/Al2O3作催化劑，研究了吸附時間對CO2捕集和甲烷化性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，CO2的吸附量隨著吸附時間的延長而增加，在20 min 趨于平穩(wěn)。并發(fā)現(xiàn)吸附時間的延長有利于甲烷化階段解析CO2并促進CH4的生成，如圖6 所示。Zheng 等[59]控制不同的吸附時間(10、20 和60 min)來研究吸附時間對甲烷化的性能影響，發(fā)現(xiàn)當吸附時間過長時，雖然能使吸附劑充分吸收CO2，但在后續(xù)的加氫還原階段所生成的CH4卻沒有增加，這歸因于過長的吸附時間導致較多的Ru 催化劑被氧化失活，在加氫還原階段需先將其恢復到活性金屬狀態(tài)后才能實現(xiàn)催化性能，吸附時長為20 min 時甲烷化性能最好，CH4產量最高。

圖6 吸附時長對集成CO2 捕集與甲烷化氣體產量的影響[51]Figure 6 Influence of sorption time on gas production from integrated carbon dioxide capture and methanation[51](with permission from Elsevier)

圖7 CH4 產量和平均生成速率隨氫化時間的變化[63]Figure 7 Evolution of CH4 production and the average CH4 formation rate () with respect to the hydrogenation time[63](with permission from Elsevier)

3.3 反應氣體成分

與甲烷化反應不同的是，集成CO2捕集與甲烷化可以直接從空氣中或其他廢氣中捕獲CO2用于反應，但反應氣體中的其他雜質氣體可能會改變反應性，例如在空氣中含有一定的O2和水蒸氣會對DFMs 性能帶來影響。Jeong-Potter 等[50]探究了在吸附過程中引入水蒸氣對不同吸附劑的甲烷化反應的影響，發(fā)現(xiàn)以Na2O 為吸附劑的DFMs 在有水蒸氣的情況下會顯著增加CO2吸附量和CH4產量，而以CaO 為吸附劑的DFMs 則相反，CO2吸附量和CH4產量均減少。這是因為Na2O 吸附CO2時有水蒸氣的引入會生成NaHCO3，增加吸附量，從而增加CH4產量，因此，在含有水蒸氣的條件下，Na2O 吸附劑有比CaO 吸附劑更優(yōu)異的甲烷化活性。He 等[30]探究了在吸附過程中引入O2對不同催化劑的甲烷化反應的影響，發(fā)現(xiàn)Ni 會被O2氧化生成NiO，且在還原階段不能被還原，導致甲烷化活性降低，但Ru 的還原溫度低，在吸附階段被氧化后可以在還原階段再生，因此，在有O2的條件下，Ru 比Ni 基催化劑的反應性更好。Wang等[51]在模擬含O2煙氣的吸附條件下研究了以Na2O為吸附劑，Ru 為催化劑的DFMs 的循環(huán)性能，發(fā)現(xiàn)該DFMs 能在50 次循環(huán)中保持CH4產量不變甚至略有增加，且物理化學性質與原始催化劑近似。Jeong-Potter 等[64]在吸附階段同時引入O2和水蒸氣，對比不同Ru 含量、不同形態(tài)Al2O3載體和不同制備方法對DFMs 循環(huán)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在所有情況下，DFMs 經過多次循環(huán)后，都有輕微失活，且不受載體和制備方法的影響，但隨著Ru 含量的減少，失活程度會增加，表明Ru 的燒結給DFMs帶來了不可逆的影響，使反應性降低。目前，對于集成CO2捕集與甲烷化在直接空氣捕捉和模擬煙氣條件下的探究都有良好的進展，但在與實際應用相結合時，空氣或煙氣中的其他組分對該過程帶來的影響尚不明確，需要進一步研究。

4 結論與展望

集成碳捕集與利用是一種通過聯(lián)合CO2的吸附和原位轉化從而同時實現(xiàn)碳減排和增值化利用的技術，它能在較低溫度（300 ℃）展現(xiàn)出良好的催化活性和產物選擇性，是未來CO2減排的重要途徑之一。該技術相比目前主流的CO2處理方式如CCS 與CCU 技術來說，減少了污染，節(jié)約了CO2壓縮和運輸成本，有利于技術的經濟和可持續(xù)性。本工作綜述了集成CO2捕集與甲烷化技術的原理和研究現(xiàn)狀，重點探討了用于該過程的雙功能材料的組成成分以及反應參數(shù)對該技術的影響。雙功能材料中的吸附劑和催化劑對于反應活性影響顯著，載體的存在有利于提升催化劑的穩(wěn)定性。此外，反應參數(shù)中，溫度影響最為顯著，通過改變溫度可以調控主副反應的發(fā)生從而改變產物特性，且堿性強度和反應時間也會影響反應速率和甲烷的產量。當前，集成CO2捕集與甲烷化的研究還處于發(fā)展階段，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要開展進一步的研究。

雙功能材料的組成成分對于CO2的吸附和甲烷化活性至關重要。目前已有一些研究獲得接近100%的甲烷選擇性，故甲烷產量主要受限于CO2的吸附量，貴金屬催化劑因其優(yōu)異的催化性能而被廣泛研究，但成本較高，ICCU 技術在高溫下的能耗也是不可忽視的成本問題，因此，優(yōu)化催化劑、吸附劑及載體種類和配比，開發(fā)可在較低溫度下使用的經濟、高效、穩(wěn)定的DFMs 是未來的發(fā)展趨勢。

目前，集成CO2捕集與甲烷化的研究仍處于實驗室研究階段，工業(yè)化規(guī)模的應用尚待驗證。特別是對于實際含雜混合（硫、氮、氨等）廢氣，CO2的捕集效率和轉化率、DFMs 的活性等，值得進一步探討。但不可否認的是，在雙碳目標的背景下，該技術為CO2的捕集和快速原位轉化提供了一個新的思路，有望將其應用于工業(yè)廢氣排放口，廢氣排出的同時將其轉化利用，達到“即排即用”的效果，且產物甲烷可以就近利用，提高整體能量利用效率。

集成二氧化碳與甲烷化過程反應機理較為復雜，反應過程伴隨一系列副反應的發(fā)生，為后續(xù)的產品提純增加了一定的難度。因此，有必要開展基于反應過程調控的機理研究，借助表征技術如原位XRD、XPS、原位SEM/STEM 成像等，結合計算機模擬理論，深入解析甲烷化的反應過程，定向制備高值高純產物，提高工藝的經濟性和可控性。