新型高熵催化剂光热催化制氢研究

摘要为应对全球能源匮乏以及气候变化的双重挑战，促进实现“碳达峰、碳中和”，开发高效清洁的能量转换技术迫切性愈发凸显，氢能鉴于其高能量密度、不产生污染以及强大的再生能力，被视为未来能源系统的关键组成部分，但鉴于氢气的存储需要极低温度，让压缩运输成本显得极高，况且因其存在易燃易爆的性质，约束了大规模的应用开展，故而我们急需进行能随时生成氢气的新技术探索。光热催化制氢技术把太阳光吸收和热反应进行整合，可直接把水或者有机物转变为氢气，切实解决了长距离运输难题，像高熵催化剂这种新兴材料，借助多种成分共同发挥的效果、结构稳定性和特殊晶格特性，在高温催化环境里显示出了优异的耐受能力与调控潜力，相较于借助单一金属的传统催化剂，高熵催化剂那复杂的结构可以有效杜绝相分离，由此扩大可见光至红外波段的光吸收范围，同时也可以对物质结合加以优化，降低反应激发所需的能量。本研究围绕MOF衍生高熵催化剂的设计和制备展开，探索设计新型金属负载型高熵催化剂，进而研究其于不同条件下的催化能力：采用水热、共沉淀法制备FeCoNiCrMn催化剂和FeCoNiCrMn-MOF催化剂，然后开展C3H8光热催化制氢反应。以反应生成气中H2产物选择性为评估标在600-750范围分析不同制备方法不同反应温度对催化剂的制氢性能的影响发现由水热法制得的催化剂的制氢性能普遍优于共沉淀法制得的在600650时，催化剂的2选性均与温度成正相关关系，在650附近达到峰值在650-750℃区间随温度上升而减少这一现象主要归结于高温环境中MOF载体结构被分解破坏，造成催化剂活性迅速减退，从这些实验结果可以看出，有机金属框架结构不适宜用于高温反应环境。关键词：氢能，高熵，光热氧化，Ni基催化剂，金属有机框架目录1绪论............................................................................................................................11.1 课题背景及意义..................................................................................................11.2 制氢工艺..............................................................................................................21.3 丙烷C3H8制氢研究状及意义........................................................................71.4 丙烷C3H8部分氧化氢催化剂研究现状......................................................101.5 本章小结............................................................................................................151.6 本文研究内容及主要工作................................................................................152实验方法....................................................................................................................182.1 实验试剂与耗材................................................................................................182.2 实验设备仪器....................................................................................................18.............................................................................................193催化剂的制备与实验..............................................................................................203.1 制备FeCoNiCrMn传统高熵催化剂.............................................................203.2 制备FeCoNiCrMn-MOF新型高熵催化剂...........................................21............................................................................................................223.4FeCoNiCrMn催化剂的还原及光热催化丙烷制氢................................................223.5FeCoNiCrMn–MOF催化剂的还原与催化丙烷制氢.......................................233.6 结果与分析........................................................................................................254催化剂制氢性能研究..............................................................................................284.1制备方法对催化剂制氢性能影响对比分析................................................................304.2 本章小结............................................................................................................325研究结论..................................................................................................................33参考文献.....................................................................................................................34致谢..............................................................................................................................401绪论1.1课题背景及意义伴随着全球经济的迅猛发展，传统化石能源的消耗速度持续攀升，其储备量慢慢变少，使用化石能源引发了因温室气体排放造成的全球气候变化、酸雨等一系列环境问题，面对这样的背景形势，查找清洁又可持续的新能源是当下要事，氢气作为清洁高效的一类能源载体，有着能量密度大、燃烧产物无污染物等长处，被视作未来极有前景的能源之一，可应用在燃料电池汽车、分布式发电等范畴，但氢气的储存及运输成本比较高，妨碍了其大规模的应用实施，光热催化制氢技术可在现场制备氢气，切实解决了氢气储存与运输难题，拥有可观的研究价值及应用前景REF_Ref195878561\r\h[1]REF_Ref195878564\r\h[2]REF_Ref195878567\r\h[3]。在利用光热催化制氢的领域，常规的催化剂在活性、选择性以及稳定性等方面往往有一定局限，难以达成工业化大规模制氢的要求，高熵催化剂作为新型的一类催化剂材料，近几载受到了广泛瞩目，高熵材料呈现独特的结构和卓越的性能，如高熵合金呈现出良好的强度、硬度和耐腐蚀本领等。跟传统催化剂相比较而言，当处于高温环境，高熵催化剂可保持更好的结构稳定性，不易出现烧结引起的失活，于是延长了催化剂的可用寿命，强化了催化反应的效率跟稳定性，在催化范畴内，高熵催化剂凭借其多种元素间的协同效应，也许会表现出比传统催化剂更好的催化效果。处在能源转型的大背景里，各国都在积极开展对可再生能源利用的探索，光热催化制氢技术能把太阳能转变为化学能（氢气）并储存起来，新型高熵催化剂光热催化制氢技术能高效地运用几乎用不完的太阳能来制取氢气，进而增添能源的供给数量，缓解能源匮乏的紧张形势，氢气能在燃料电池汽车、分布式发电等领域实现广泛应用，减少对常规化石能源的依赖，推进能源结构朝着清洁、可持续方向升级，促使全球可持续发展战略有效实施。开展新型高熵催化剂光热催化制氢的相关研究，有利于深入知晓光热协同的催化反应流程，通过探寻催化剂在光照及加热条件下的电子转移、吸附-解吸行为以及活性位点的作用机理等，能为催化理论增添内容，补齐光热催化领域反应机理研究的空白，为后续优化催化剂及反应条件提供理论支撑。一旦该新型高熵催化剂在光热催化制氢领域实现大规模应用，或许能降低制氢成本，这是由于该技术主要借助太阳能这种免费又充足的能源，设计和优化高熵催化剂或许能提升制氢效率，减少能源耗费和原材料的开支，制氢成本较低能促进氢能源在各个领域大量应用，带动相关产业的扩张。1.2制氢工艺从工艺方法及一次能源来源角度细分，氢能制备主要分为化石能源重整制氢、电解水制氢、生物质制氢以及其他新兴制氢技术。电解水制氢电解水制氢用到的材料及反应条件丰富多样，主要囊括碱性电解水、固体聚合物电解水以及高温固体氧化物电解水之类，在小规模工业进行高纯度氢气生产的实际操作阶段，碱性电解水法应用相对广泛，此方法采用Ni作为阴极材料，让其在电解池当中稳定地工作，最终顺利制出高纯度氢气。就工序流程方面而言，它相对较为省事，其劣势也体现得十分明显，过高的用电能耗成为制约其前行的一大阻碍，过高的能耗直接引起投入的生产成本大幅增加，让生产所获的经济效益处于较低水平，显著妨碍了它在更广阔范围的进步与运用[13]，处于碱性环境时，电解水制氢基本原理借清晰的反应式得以呈现。在阴极端，水分子在得到电子后分解产生氢气和氢氧根离子:4H₂O+4e⁻=2H₂↑+4OH⁻(1.1)在阳极端，氢氧根离子失去电子生成水和氧气：4OH⁻−4e⁻=2H₂O+O₂↑综合阴阳两极，总反应式为:2H₂O=2H₂↑+O₂↑。酸性电解水法同样是工业生产普遍用的技术手段，该方法一般会采用Pt、Au等作为电极材料，这些材料不只作为电极参与到电解反应当中，还可凭借自身独特性质充当催化剂，大幅增强电流的密度，提升电解反应的速度，而处于酸性环境的时候，电解水制氢这个反应的基本机理也有清楚反应式。在阳极端，水分子失去电子生成氧气和氢离子：2H₂O−4e⁻=O₂↑+4H⁺在阴极端，氢离子得到电子形成氢气：4H⁺+4e⁻=2H₂因为Pt、Au等贵金属的来源十分稀缺，在地球上的储量不多，获取起来难度高，进而让其价格达到了极高水平，这一极高昂的成本要素，同样造成酸性电解水技术在进一步发展和大规模应用时受到诸多制约，不易实现快速普及。(2)生物质制氢生物质制氢作为凭借生物质资源生产氢气的绿色技术，具备来源多样、环保等长处，是达成氢能持续发展的关键路径，生物质制氢技术主要分为热化学转化制氢和生物法这两大范畴。热化学转化制氢技术涵盖气化制氢、热解重整制氢以及超临界水气化制氢，气化制氢利用高温气化把生物质转变为合成气，之后经过净化分离工序得到氢气，该方法效率处于较高水平，适合大规模制取，热解重整制氢先把生物质进行热解变成小分子化合物，再借助重整反应得到氢气，适合去处理含水量低的生物质，超临界水气化制氢在超临界水对应的条件下（温度>374℃，压力表现为大于22.1MPa情形），生物质迅速分解成氢气和二氧化碳，该方法在处理有毒废水等相关方面存在长处，但得有高温高压的条件才行，设备的成本支出较高。生物法主要涉及光发酵制氢、暗发酵制氢以及光暗耦合发酵制氢，光发酵制氢借助光合细菌在光照条件分解有机物以产生氢气，但需要特定的光合细菌以及光照条件，暗发酵制氢要在没有氧气的条件下，依靠厌氧微生物对生物质进行分解产生氢气，适宜处理农业废弃物这类有机物，光暗耦合发酵制氢结合了光发酵跟暗发酵的益处，先依靠暗发酵制造有机酸，继而借助光发酵使有机酸转化为氢气，提升了氢气制备效率。生物质制氢技术显现出显著的好处，如采用可再生资源，生产过程对环境友好，几乎不排放温室气体，该技术同样遭遇了一些阻碍，生物质分布分散，收集运输的费用高，某些技术需要高温高压的环境，设备所需成本较高，未来发展会聚焦到技术创新方面，开发高效催化剂并优化反应环境，增强制氢效率且降低费用，使生物质制氢跟别的生物质转化技术联合，如制作柴油等化学物品，做到生物质的全面利用，依靠中试规模实验以及生命周期评估，加快生物质制氢技术的商业化应用步伐，让其在实现氢能经济中起到重要功效。(3)太阳能光解水制氢太阳能光解水制氢是一项借助太阳能把水分解成氢气和氧气的技术，可以从核心上解决能源需求及碳排放带来的环境污染困扰，当下主要依靠全光谱光催化进行氢气制备，但存在催化效率不达标、难以实际应用起来的问题，研究人员凭借敏化材料掺杂、元素掺杂、异质结构建等策略优化催化剂，加大可见光吸收、降低光生载流子的复合几率，添加活性位点，多场耦合协同催化制氢技术，诸如光电催化、光热催化和光热电催化之类，也实现了系统的进步，虽说实现了一定进展，但高效太阳能催化的实际应用仍有一段距离。21(4)化石原料制氢化石能源制氢的直接原料来自于化石燃料利用一系列化学反应机理来制备化石能源制氢技术具备资源来源广泛直接原料(如石油天然气等获取简易制备工艺技术成熟制氢成本相对较低等的优势此外化石燃料燃烧释放能量相比其他燃料高化石能源制氢是当前氢能源的主要来源主要有以下几种常用的化石燃料及工艺技术：（a）天然气制氢主要通过蒸汽重整法。通常工业中使用煤或焦炭通过与水蒸气混合高温重整产生合成气，再进一步将合成气中含有的CO通过与2O反应生成CO2，最后将目标产物2和CO2分离提纯得到高度2。反应过程如下所示：C+2O→CO+H2(16)CO+2O→CO2+2(17)在工业实际运用里，一般会用AspenHysysV12软件对天然气蒸汽重整系统开展模拟、优化工作，把重整器与水煤气变换反应器分别定位在900°C和300°C，可实现氢气产量的最大产出，处在特定的压力与蒸汽碳比条件里面，该过程可实现较高的氢气生产速率，采用分离与压力变压吸附等净化单元，能有效地把二氧化碳、一氧化碳等杂质气体去除，保证最终得到的是100%的纯干氢气。部分氧化制氢技术是用氧气或空气把天然气进行部分氧化，造就氢气和一氧化碳，该种方法的反应速度迅速，但得掌握好反应条件，防止出现过多的副反应产物，部分氧化制氢技术的反应机理尚未完全搞明白，需要进一步到实验室去做热力学和动力学研究。CO₂重整是把天然气与二氧化碳置于催化剂作用下进行反应，生成氢气跟一氧化碳，这种途径不仅可利用二氧化碳，降低温室气体的排放水平，还可提升氢气产出的数量，此技术面对着催化剂积炭失活等难题，要开展进一步的研究和改良。催化裂解属于新型的天然气制氢技术范畴，国内外对天然气催化裂解制氢开展的研究多集中在固定床催化裂解制氢技术方向，但存在催化剂积碳失活、生产不连贯以及工程化扩大规模困难等问题，难以达成产业化，一种新型熔融金属天然气裂解制氢技术大概能解决这些难题，让天然气规模化催化裂解成为现实。天然气制氢技术的研究仍旧在持续发展与完善里，Gasswitchingreforming（GSR）属于有前景的天然气制氢技术，它可实现比较高的二氧化碳捕获率，而且成本相对不高，该技术在特定条件下可对燃料及电力消耗的平衡作出调整，以贴合不同的市场情况。天然气制氢技术存在多种实施方法和应用前景，伴随着技术的持续进步创新，或许能在未来能源领域发挥更显著的作用。（b）煤制氢主要通过气化法。将煤与氧气和水蒸气在高温高压下进行气化反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气等混合气体。反应方程式如下：C+H₂O→CO+H₂；C+O₂→CO₂；CO+H₂O→CO₂+H₂。煤制氢工艺流程存在一定复杂性，主要涉及煤的预处理、气化、净化、变换以及氢气提纯等部分，在对煤预处理的阶段，得对煤进行破碎、筛分以及干燥等处置，以此提高气化效果，气化反应一般在高温（1300-1500℃）与高压（2-4MPa）条件下开展，多种类型的气化炉是存在的，诸如固定床、流化床以及气流床气化炉之类，净化处理主要工作是去除合成气中的杂质，诸如硫化氢、二氧化碳、扬尘等，变换反应及氢气提纯的方式和天然气制氢相仿。（c）甲醇制氢：在蒸汽重整法的框架下得以实现的是甲醇制氢过程。参与反应的为甲醇分子与水蒸气分子，在催化剂存在条件下，发生着化学转化的是二者。生成物方面，呈现为一氧化碳与氢气的混合态气体形式。经历重整反应阶段的是原料混合物，这一过程发生于催化剂的表面活性位点。后续处理环节中涉及混合气体的分离操作以及提纯步骤，实例高纯度氢气的获取正是通过这些工艺单元完成。由此可见，蒸汽重整法构成了当前甲醇制氢技术体系的核心路径所在。反应方程式为：CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂。总的来说利用化石原料制氢技术常常通过催化剂作用下的重整部分氧化等反应方式将甲烷等饱和烷烃转为CxHxx/2的混合物1。由于和烷烃的结构相对稳定、键能较高；故一方面烷烃参与的反应都需要提供高强度连续热源；另一方面，高温连续剧烈反应对催化剂的耐高温性也有较高要求。1.3丙烷CH8制氢研究现状及意义(1)丙烷制氢的优势丙烷作为液化石油气（LPG）、页岩气以及炼油尾气的主要成分，成本低廉且容易拿到；氢碳比相对偏高，以单位质量计，丙烷的产氢量相当可观，从化学元素的成分组合角度看，丙烷能够作为制氢的理想原料[1,2]。丙烷制氢技术在经济成本、环保效益等方面显现出突出优势：就经济方面而言，丙烷为一种常见的化石燃料，在石油和天然气加工期间大量产出，其广泛来源的特性让丙烷价格相对稳定，而且供应相对充裕，跟其他制氢原料对比，丙烷的获取费用相对不高，跟水电解制氢比起来，丙烷制氢不必投入大量的电力，这样就降低了能源成本[3]。就环保效益这方面而言，跟传统型的化石能源制氢方式相比，丙烷制氢在一定程度上可降低碳排，对助力能源结构的低碳化转变意义积极，制氢时产生的二氧化碳可采用一定技术手段来进行捕获和封存，进一步削弱其对周边环境的影响，可采用吸附强化丙烷部分氧化技术，该技术所采用的笼状多孔吸附剂体现出较高的二氧化碳吸附能力，可提高氢气的纯净度，让二氧化碳排放有所减少[4]。在技术应用这个范畴，丙烷产氢的技术途径呈现多样化，蒸汽重整等传统工艺的成本跟天然气制氢相仿，光热催化等新技术借由光热协同的方式降低能耗，成本预计能进一步优化下调；适配大型规模化生产，尤其是在偏远的地方或电力不稳定的区域，优势明显可见。(2)丙烷制氢方法及其研究现状()C3H8-CO2干气重C3H8-CO2干气重整技术是一种具有重要意义的能源转化技术，该技术可以同时利用丙烷和二氧化碳这两种常见的气体，将其转化为具有高附加值的合成气（主要成分为氢气和一氧化碳），为实现温室气体的转化利用以及生产液态燃料提供了可能。其反应为强吸热反应，具体反应方程式为：C383CO2→6CO4H2(1.13近几年来，针对该技术的催化剂的催化性能及耐高温稳定性的优化研究也备受关注，并取得一定的研究进展和成果：2019年，Lamia团队使用Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂在填充床等离子体反应器中进行丙烷的干重整以合成合成气。研究发现，等离子体还原的Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂相比于热还原的催化剂表现出更优越的催化活性，并且在抗积碳方面具有长期的催化稳定性[1]。Sudhakaran团队针对C3H8转化率和CO的选择性，制备了FeCe2O4催化剂；并研究了钙钛矿的结构，得到了可以通过增强对CO的选择性从而改善催化剂的积碳程度[2]。(b水蒸气催化重整在众多的制氢方法中水蒸气催化重整制氢技术也是具备一定应用广泛度和工业生产规模的方法。其总反应式为：C386H2O→3CO210H21.14)该技术于较低温度环境下可实现高效转化，能耗相对不高，其催化剂体系得到优化，在反应活性和稳定性方面表现出众，能得到较高的氢气产率及选择性，跟甲烷蒸汽重整进行对比，反应的实际温度更低，设备投资和运营成本展现出更大优势，碳的排放数量不多，更贴合绿色低碳的发展诉求。该工艺系统呈现出高灵活性，既适宜分布式的小规模制氢方式，还能集成扩大成集中式生产，而且启停反应快，方便实施调节，能良好适应可再生能源的波动特性，反应所产生的副产物像一氧化碳含量不算高，后续纯化工作相对好做，有利于使整体系统的复杂程度下降，由于这些特点，丙烷水蒸气催化重整在交通领域燃料电池氢源供应、工业用氢和能源存储等领域展现出不错的应用前景，为氢能经济的推广给出了一条可行的技术路子。就反应催化剂的研究而言，当下主要是聚焦载体结构、负载组分挑选、添加助剂或促进剂来实施结构改性等方向[1,对金属组分开展的研究，Alayan团队选取Pt和Ni金属组分，以Al₂O₃为载体制备了负载型双金属催化剂，借助催化颗粒媒介促使水蒸气吸热来开展催化反应[3]，针对催化剂结构改性的探究，LingzhiZhang在开展研究时开发了Fe-Al-Cu催化剂，以替代水煤气变换反应所用的Fe-Cr催化剂，优化了属于重要合成参数的Cu负载量，进一步增进了催化剂的性能。且Ni基催化剂因其价格相对低廉、反应初始活性高，已被众多研究者用于丙烷水蒸汽重整制氢反应中[4]。()C3H8裂解重整制相比于其他需要将反应生成气进行分离和净化才可得到高纯氢的技术方法，利用C3H8在高温条下进行热化学裂解可以直接实现气体产物中只有H2的的效果，其反应方程式为[]C38→3C+4H21.15)但同时由式(1.15)也可明显看出，反应过程中会出现焦碳积累现象。(dC3H8g光热催化制氢C3H8的光热催化制氢技术，利用C38和H2O进行反应，生成H2和CO2。其主要反应为丙烷与水反应生成一氧化碳和氢气：C3H8+3H23CO72一氧化碳与水发生水煤气变换反应生成二氧化碳和氢气：CO+H2故总反应可写成：C3H8.5O2光热，催化剂3CO+42C3C+C而由式(1.16)和(1.17)可见，在实际的反应过程中，会衍生CH4和C等副产物，根据上述反应机理可知这些副反应会使产物的种类和比例发生变化，使原料转化率降低可以通过优化催化剂、改进反应条件等方法来减少这些副反应。近几年来，针对该技术的催化剂的催化性能及稳定性的优化研究也取得了一定的研究进展和成果：在复合半导体负载催化剂方向上，中科院大连化物张涛团队发现Pt/TiO₂-WO₃催化剂用于催化氧化丙烷时，在低温和高浓度氧气条件下，光热协同催化活性远高于单独的光催化和热催化。光热协同催化可极大提升催化剂对丙烷的催化氧化活性，降低反应温度，使T70最低可至90℃，且催化活性几乎与氧气浓度无关，解决了负载型Pt催化剂在低温和高浓度氧气条件下的氧中毒问题【1】。(3)丙烷光热催化制氢优势该反应能够结合光能与热能通过催化剂高效转化丙烷生成氢气，实现能源的高效利用，可直接利用太阳能进行光热转换以减少化石燃料依赖、符合低碳目标，且具备灵活性，能适配分布式制氢场景并利用工业副产丙烷或生物质衍生丙烷等原料，同时光热协同效应可提升反应速率，在中温条件下实现高效反应以降低单一热催化所需的高温能耗，通过光热互补降低反应活化能、促进催化剂活性位点作用，进而提升整体制氢效率并减少能源消耗。1.4丙烷CH8光热催化制氢催化剂研究现状(1)光热催化反应催化剂概述应用最为广泛的是金属催化剂因为其具备稳定性较高的结构优异的催化性能和较长的催化寿命其中负载型双金属催化剂具有较大的优越性通常以金属氧化物为载体并负载金属组分其金属单质能均匀分布且载体成分能够使其催化活性表现更加优异部分氧化反应的反应平衡迁移和进行程度很大程度上受催化剂的影响而催化剂的催化活性和热稳定性等性能基本取决于其载体及金属活性组分故对于催化部分氧化反应的催化剂设计最关键的为针对其载体和金属活性组分的研究。(2)贵金属催化剂其活性组分为贵金属已经探索发现的可用金属元素有Pt(铂Ru钌R(铑)、Pd（钯）等。这些贵金属催化剂表面的活性位点能够吸附丙烷分子和氢原子，促进反应的进行。在光热催化过程中，贵金属催化剂可以作为电子受体或供体，加速电子转移过程，从而提高氢气的生成速率。且贵金属催化剂通常具有较高的热稳定性，能够在较高的温度下保持催化活性，这对于丙烷光热催化制氢过程中需要的高温条件非常重要。[1,2。XinxinLiu及其团队利用红外光产生的热效应，增强从甲醇水溶液中太阳能催化制氢的性能。在全光谱光源下，Pt/TiO₂的光到氢（LTH）转换效率达到了0.36%。结果表明，太阳能光中的红外部分可以被利用作为热源，以增强光催化制氢[3]。张金龙利用三种不同负载方法制备了含有不同贵金属的TiO2光催化剂,通过测试其XPS和光催化活性和选择性发现,TiO2光催化剂在丙炔和水的光催化水解反应中,由于贵金属的存在,有利于促进发生加氢反应,导致丙烯的生成量加.Pt,Ru,Rh,Pd和Ag负载在TiO2上,在紫外线照射下(λ>270nm),Pd负载的TiO2光催化剂表现出最高的光催化活性.光催化活性和负载贵金属所处的氧化状态有密切的关系,贵金属完全被还原到0价是提高光催化活性的必要条件.[4。(3)非贵金属催化剂在工业生产范畴，非贵金属催化剂凭着近似于贵金属的催化效能、突出的成本优势以及大量的资源储备，成为轻质烷烃重整制氢反应中的核心催化剂类型，这类催化剂一般采用Fe（铁）、Co（钴）、Ni（镍）、Zn（锌）等金属作为活性成分，且把金属氧化物当作支撑载体，通过水热合成以及浸渍工艺等成熟技术实施制备。尤其值得留意的是，以Ni为核心活性组分的Ni基催化剂，在催化活性和稳定性方面展现出极为突出的表现，其性能同贵金属催化剂最为接近相似，多项研究均已验证，Ni基催化剂的结构热稳定性与催化活性均高于钴、铜、铁基催化剂，这主要得益于Ni基催化剂在断裂C-H键与C-C键方面的杰出能力，进而有效助力反应前行，Ni基催化剂现已成为非贵金属催化剂研究领域里的一个关键分支。就单一金属基组分的催化剂而言，其性能受多种因素所左右，诸如Ni的负载量、载体等方面，Reihaneh等人围绕超声辅助共沉淀法合成的Ni-Al₂O₃催化剂开展研究，探讨了Ni含量对催化剂性能的影响，若将Ni负载量增加至25w.%时，催化剂的比表面积增大，结晶度呈下降趋势，还原能力增强；进一步提升Ni负载量会对表面积造成负面的影响[1]。而Kutelia在DRM反应温度500-850°C这样的温度下，对纳米结构氧化镍催化剂在各类合成（γ-Al₂O₃和NaX沸石）及天然载体表面的碳/焦炭形成过程做了比较研究，跟合成载体对比起来，天然载体材料组成中大约以1-2%质量分数存在Mg、Fe、Ca等氧化物，或许充当促进剂的作用，加大了活性碳的占比，还在反应温度升高时提升了上述基于天然载体的氧化镍催化剂的抗结焦性能[2]。于实际应用过程中，Ni基催化剂面临积碳与烧结易出现的挑战，这些问题刚好是引起其催化性能衰退的核心要素，提升Ni基催化剂抵御积碳的能力，成为现今研究设计的紧要方向，面对这一难题，已有研究凭借引入Fe、Co、Cu等金属元素作为负载剂，顺利做到了对催化剂结构的优化修整。非金属化合物的添加同样体现出明显效果，好比SiC等物质的引入，还可有效改善催化剂对抗积碳的能力，添加金属助剂是因为，X-Ni基（其中X是Fe等金属元素）的活性催化位点更稳定，氧化还原性能比Ni基更好些[5]。Aksoylu等研究人员对传统Ni/Al2O3催化剂进行Mo金属负载添加，做出了Ni-Mo/Al2O3催化剂，添加Mo改变了催化剂的结构特性和甲烷化的活性，且发现Ni-Mo相互作用的性质会随着Ni和Mo负载量的变动而变动。在低Mo负载量时，Mo物种作为基质的稀释剂，促进了Ni颗粒的分布；在高Mo负载量时，尤其是对于高总金属负载量的催化剂，观察到Ni颗粒的部分覆盖[6](4)光热催化剂载体光热催化一般采用的负载型金属催化剂类型，其载体的主要作用是支撑并分散金属组分，借此保证了催化剂结构的稳定性，目前有关的研究里面，载体的设计与选择主要包含表面结构跟物质组分及酸碱性处理两部分：(a)载体结构设计载体结构设计涉及比表面积、孔的形貌和晶粒结构等要素，催化剂载体结构设计目的是通过对载体物理化学特性、表面改性和结构进行优化等方面，提高催化剂活性、选择性以及稳定性的水平，以契合各类催化反应的需求，催化剂载体材料必须具备一定机械强度，以避免于光热催化反应过程产生颗粒磨损、裂开或压缩变形等状况[1]，通过采用光吸收材料或设计带有特殊光学性能的构造，可推动催化剂对光的吸收强化，增强光能转化为热能的成效，进而促使光热催化反应的进行[2]。(b)载体组分选择及表面酸碱性处理诸如二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）、活性炭等传统的单一组分载体，虽然存有一定的催化性能，但存在催化活性不高、易出现粉化和热稳定性差等现象，为了克服单一组分载体固有的缺陷，研究人员开始探索二元及多元复合载体,他们采用正交实验优化Ti-Al-Si-Oₓ载体的组分配比，要是Ti/Al/Si的摩尔比为1:0.2:载体在NH₃选择性催化还原NO时，其活性与轴向抗压碎强度的匹配处于最佳状态。这种复合载体不光提高了催化活性，还让机械强度与热稳定性得以提升[3]，金属氧化物例如二氧化铈（CeO₂）同样被大量研究，CeO₂呈现出良好的氧化还原性能及储氧能力，可以有效推动催化反应进行，经由改变其形貌跟结构，能够进一步调节其催化性能[4]。在不少催化反应中，催化剂表面的酸性中心有着关键作用，就Zn/SiO₂催化剂来讲，酸性中心被当作是1,2-三氯乙烷脱氯化氢反应的活性起效中心，随着Zn负载量渐次增加，催化剂的酸量出现增加，催化活性同样得到显著增强。通过调整载体的组成及制备手段，可对催化剂表面的酸碱性进行调控,如同在Ti-Al-Si-Oₓ载体里面，通过调节Ti、Al、Si的摩尔比值，可对载体的酸碱性做优化处理，