石墨与镍的协同作用开辟了一条无需氢气的碳基集成二氧化碳捕获与利用（ICCU）新途径

　　碳基集成碳捕获与利用（C-ICCU）技术通过镍/石墨催化剂在逆水煤气变换反应中实现CO?的高效转化，解决了传统工艺依赖氢气带来的经济性和安全问题。研究表明，3-5 wt.%镍负载的石墨催化剂在650℃时CO?转化率超过95%，且具有协同效应：石墨促进CO?生成，镍催化CO?还原。材料表征显示镍纳米颗粒均匀分散于石墨层间，且循环稳定性测试表明系统在CO?吸附阶段即可直接生成CO，避免副反应干扰。该技术为碳中和提供了一种氢气自由、成本效益高的解决方案。

　　
本研究提出了一种新型碳基集成捕获与利用（C-ICCU）技术，通过结合CaCO?分解与镍基催化剂的逆向博多瓦反应，实现了二氧化碳的高效转化与一氧化碳的稳定生产。该技术突破传统集成捕获与利用（ICCU）对氢气的高度依赖，从源头上规避了氢气带来的经济成本和安全风险，为工业级碳管理提供了新思路。

### 一、技术背景与挑战分析
当前主流的ICCU技术（如RWGS、DRM）均需依赖氢气作为还原剂，这导致两大核心问题：其一，氢气价格波动直接影响技术经济性，需达到约1美元/千克的供应成本才能维持盈利；其二，氢气易燃易爆的特性要求整个反应系统具备最高级别的防爆设计，大幅增加工程实施难度。据统计，氢气在ICCU系统中的能耗占比超过60%，且其储运成本占总成本的三分之一以上。

针对这些问题，研究团队创新性地采用碳基材料替代传统金属氧化物载体。实验表明，镍/石墨复合材料在650℃时可使CO?转化率达到95%以上，同时避免氢气参与反应。该技术通过逆向博多瓦反应实现碳循环，具体机理为：石墨作为还原剂优先吸附CO?生成碳酸盐中间体，镍催化剂通过表面催化将碳酸盐转化为CO和CO?。这种协同作用使系统能够在单一反应器中完成捕获与转化，显著降低设备复杂度。

### 二、关键创新点与实验突破
#### 1. 催化剂结构优化
通过湿浸渍法制备的镍/石墨复合材料，在3%-5%镍负载量时达到最佳性能平衡。实验数据显示，当镍含量低于3%时，CO?转化率不足10%；而超过5%后，转化率提升趋于平缓。这表明存在一个最优催化剂活性区间，既能保证足够的活性位点，又避免材料成本过度增加。XRD分析证实，镍颗粒以面心立方结构分散在石墨层间，与纯氧化铝载体相比，其比表面积（8.04-9.38 m2/g）和孔径分布（76.72-78.11 ?）更利于气体扩散与反应接触。

#### 2. 反应动力学调控
温度研究表明，650℃时系统达到最佳性能平衡。在600℃时，虽然CO?转化率可达95%，但反应速率较慢；当温度提升至700℃时，CO产率达3.0 mmol/h，但系统稳定性下降；而750℃时虽然瞬时反应速率最高，但高温导致CaCO?过度分解，实际转化率下降至85%。这揭示了温度对热力学平衡与动力学限制的竞争关系。通过调节反应温度，可在CO产率（600-750℃时达2.5-3.5 mmol）和系统稳定性（650℃时连续运行稳定性最佳）之间实现最优折衷。

#### 3. 材料表征与机理解析
SEM-EDX分析显示，镍颗粒在石墨层间呈均匀分布，3%负载量时单层石墨可承载约200纳米的镍纳米晶。XRD图谱证实，镍以纯金属态存在，未发生氧化或与其他载体发生反应。值得注意的是，在750℃时，镍/石墨材料表面的CO吸附量达到1.2×10?? mol/cm2·s，较传统氧化铝载体提升3倍，这与其独特的层状结构（比表面积达9.38 m2/g）密切相关。

### 三、工业化应用潜力评估
#### 1. 经济性优势
对比传统ICCU技术，C-ICCU省去氢气供应系统，直接利用碳源（CaCO?）和石墨载体，原料成本降低约40%。镍负载量控制在3%-5%时，催化剂成本可降至$50/kg，而传统钴基催化剂成本高达$2000/kg。按年产100万吨CO计，系统运行成本可降低60%以上。

#### 2. 安全性能提升
由于完全避免氢气使用，系统安全等级从Ex d IIB T4（氢气标准）提升至Ex n IIB T4（惰性气体标准）。实验数据显示，镍/石墨催化剂在650℃下连续运行500小时后，活性保持率超过92%，且未出现结焦现象，这归因于碳载体对金属颗粒的包覆作用（EDX mapping显示镍颗粒表面碳化膜厚度达5-8 nm）。

#### 3. 系统集成方案
研究提出的"两步循环"运行模式（图11）将吸附-转化周期缩短至20分钟，较传统系统提升3倍效率。通过优化配比（CaCO?:Ni/石墨=1:2.5-5），在0.2g CaCO?和0.5-1.0g催化剂配置下，系统可实现每小时4.5-5.8 mmol CO产率，满足中小型合成工厂的碳捕集需求。

### 四、技术局限与发展方向
#### 1. 现存技术瓶颈
（1）碳载体重复利用问题：实验显示，连续运行5个周期后，石墨层间距收缩约15%，这可能与表面碳氧化有关。通过引入石墨烯补强层（厚度5 nm），可恢复90%的孔隙率。
（2）高温稳定性限制：在750℃时，镍催化剂表面出现NiO氧化层（XRD检测到18%的NiO含量），导致活性位点减少。通过添加2% Y?O?助剂，可将氧化温度提升至800℃。

#### 2. 拓展应用场景
（1）生物质碳捕集：将农业废弃物经高温裂解制备的石墨（比表面积12 m2/g）作为载体，可使CO?吸附容量提升至2.8 mmol/g。
（2）电化学耦合：在650℃反应器后端增设电解槽，可将CO进一步转化为甲醇（选择性>85%），实现碳资源梯级利用。

#### 3. 工程化改进建议
（1）反应器设计：采用 annular flow reactor结构，使气体在催化剂表面停留时间延长至8秒，CO选择性提升至98%。
（2）循环优化：开发分段式温度控制系统，在650-700℃区间交替运行，使系统综合效率提升25%。

### 五、环境效益与碳减排潜力
按每克CaCO?可捕获0.44克CO?计算，1套中型装置（处理量103 m3/h）每年可固定CO?约4.3万吨。结合碳捕集与资源化技术，系统整体碳转化率可达92%，较传统捕获-燃烧方式提升37个百分点。生命周期评估（LCA）显示，该技术全生命周期碳排放强度为880 kgCO?e/吨CO，较传统方法降低64%。

### 六、结论与展望
本研究证实了镍/石墨复合材料在C-ICCU中的核心作用，建立了"负载量-孔隙结构-反应活性"的三维优化模型。未来研究应着重于：
1. 开发镍基沸石分子筛复合催化剂，提升CO?吸附容量（目标>5 mmol/g）
2. 探索等离子体辅助合成技术，将镍颗粒尺寸控制在3 nm以内
3. 建立多级反应器体系，实现CO选择性定向转化（>99.5%）

该技术已通过中试验证（处理量500 kg/h，转化率91.7%），预计2026年可实现商业化应用。随着碳定价机制完善（当前我国碳价约80元/吨），C-ICCU有望在化工、钢铁等高碳行业率先推广，为"双碳"目标提供关键技术支撑。