通讯作者郑磊、张军通讯单位中国科学院上海高等研究院DOIhttps://doi.org/10.1016/j.cclet.2026.112936核心亮点以 SiSiC 开孔泡沫同时充当加热元件与催化剂载体经球磨优化涂覆工艺制备出仅~5 μm的超薄 Ni/Al₂O₃ 催化层直接焦耳加热eDRM在空速高达900,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹、900°C 下实现 CH₄ 近完全转化与传统外部加热相比转化率提升~30–40%能耗降低~95%能效提升 2.3 倍20 h 稳定运行验证无热失控风险。背景与问题甲烷干重整DRM将 CH₄ 与 CO₂ 这两种温室气体同时转化为合成气是化工行业深度脱碳的重要路径。然而DRM 是强吸热反应需在 800–1000°C 的高温下持续供热传统工业反应器依赖燃烧化石燃料的外部加热方式不仅带来额外碳排放还受限于传热瓶颈——反应管内部易形成冷点诱发催化剂积碳和烧结失活。以可再生电力驱动的焦耳加热技术因其高效热转换、选择性内部加热与均匀温度分布特性被视为推动 DRM 绿色电气化的关键方向。现有研究中催化层厚度普遍在 40–130 μm 以上限制了催化剂利用率与系统通量如何在超高空速WHSV条件下同时实现近平衡转化率与极低能耗是该领域迈向工业化必须突破的核心挑战。论文概要本文由中科院上海高研院郑磊与张军团队发表于Chinese Chemical Letters2026。研究以 SiSiC 开孔泡沫25 PPI电阻率 1.19 Ω/cm兼作焦耳加热元件与催化剂载体通过系统优化球磨时间0/8/16 h、涂覆长度及孔密度等工艺参数成功将 Ni/Al₂O₃ 催化层厚度从 ~75 μm 压缩至 ~5 μm结构泡沫催化剂D实现国际领先水平的超薄涂覆。在 CO₂/CH₄ 1 条件下eDRM 在 WHSV 高达 900,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 时仍接近热力学平衡900°CCH₄ 转化率 94%CO₂ 转化率 98%在 CO₂/CH₄ 2 条件下CH₄ 在 900°C/300,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 达 100% 转化最高空速下 SECO₂ 低至 6.53 kWh/Nm³CO₂。与传统外部加热相比内部焦耳加热将能耗降低约 95%0.034 kWh vs. 0.753 kWh能效提升 2.3 倍且 20 h 运行中 CH₄ 转化率仅下降 7%外部加热下降 15%积碳量极低系统电阻稳定在 ~1.3 Ω。图文解读Fig. 1 · eDRM 与 cDRM 反应器结构对比示意图图1直观呈现了电气化干重整eDRM与传统外部加热干重整cDRM两种反应器构型的核心差异。eDRM 系统将 Ni/Al₂O₃ 涂覆 SiSiC 泡沫置于石英管中通过不锈钢电极直接连接电源最大 20 V、50 A由泡沫骨架的电阻自发热产生内部热量而 cDRM 依赖外部电炉提供热量热量须从外壁向内传导。两种加热方式在热传导路径、温度梯度及系统热效率上有本质差异为后续对比研究奠定概念框架。Fig. 2 · SiSiC 泡沫与 Ni/Al₂O₃ 催化剂的基础表征图2对 SiSiC 加热元件与 Ni/Al₂O₃ 催化剂进行了全面表征。SEM 显示 SiSiC25 PPI具有不规则三维连通孔结构孔径 1.93 mm孔隙率 72.98%有利于强化反应物扩散与传质。XRD 在 43° 和 67° 分别确认 NiOPDF #47-1049与 NiAl₂O₄PDF #10-0339相的存在球磨 16 hNi/Al₂O₃-bm16后 NiO (111) 晶面暴露增加比表面积从 57.22 m²/g 升至 67.25 m²/g。H₂-TPR 表明球磨处理使 NiAl₂O₄ 还原温度从 802°C 降至 775°C降低 27°C活性位点更易被激活为超高空速下维持高活性提供了催化基础。Fig. 3 · 四种结构泡沫催化剂 SEM 形貌与三维 μ-CT 结构图3展示了四种不同制备条件下涂覆催化剂的 SEM 截面及 X 射线μ-CT 三维重建结构。通过增加球磨时间至 16 h 并将涂覆长度延伸至泡沫的 4/5催化层厚度从结构催化剂A的 ~75 μm 大幅压缩至催化剂D的 ~5 μm突破了文献报道的 40–130 μm 下限催化剂负载量也从 165.1 mg 降至 49.5 mg。μ-CT 三维模型确认催化层极薄低于 CT 分辨率 8.75 μm在泡沫骨架上几乎不可见印证超薄均匀涂覆的成功制备从结构上保障了更短的传热距离与更高的活性位点可及性。Fig. 4 · 涂覆条件对 eDRM 性能的影响CO₂/CH₄ 1图4系统评估了不同空速与催化剂结构参数对 eDRM 性能的影响。在结构催化剂A上WHSV 75,000–300,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 范围内 CH₄ 和 CO₂ 转化率均接近热力学平衡在 900°C 时分别达 93% 和 97%随空速升高逐渐进入动力学控制区。四种催化剂的对比表明超薄涂层的结构催化剂D具有最高活性与最低输入功率——更薄的涂层意味着更短的传热路径Tc–Tw 温度梯度最小冷点问题得到显著缓解为进一步强化空速操作奠定了基础。Fig. 5 · 超高空速 eDRM 性能、温度分布与能耗对比CO₂/CH₄ 1图5为结构催化剂D在超高空速300,000–800,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹下的核心性能数据。在 900°C、800,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 时CH₄ 转化率 94%、CO₂ 转化率 98%而相同条件下 cDRM 仅为 52% 和 66%。红外热成像证明内部中心温度Tc高达 900°C 时石英管外表面温度仅为 546°C直观验证了焦耳加热的选择性内部加热特性热量高度集中于 SiSiC 区域。能耗对比显示eDRM 在 800,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 时仅需 0.076 kWh 即可达到目标温度而外部加热需 0.489 kWh能耗降低 84.5%。Fig. 6 · 富 CO₂ 进料CO₂/CH₄ 2下超高空速 eDRM 性能与 SECO₂图6在 CO₂/CH₄ 2 的富碳进料条件下进一步挑战极限空速最高 900,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹。低空速300,000时 CH₄ 在 900°C 达 100% 转化与热力学平衡完全重合在最高空速 900,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹、750°C 时eDRM 的 CH₄ 和 CO₂ 转化率分别为 92% 和 60%显著高于 cDRM 的 51% 和 38%。最关键的是能耗对比中 eDRM 仅需 0.034 kWh 即可达到 750°C而 cDRM 需 0.753 kWh能耗降低95.1%CO₂ 转化比能耗SECO₂低至6.53 kWh/Nm³CO₂内禀热效率达 39.71%综合性能超越已报道的 eDRM 系统。Fig. 7 · 20 h 稳定性测试eDRM vs. cDRM 转化率与电学参数图7通过 20 h 连续运行测试对比了两种加热模式的稳定性CO₂/CH₄ 2WHSV 800,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹Tc 750°C。cDRM 中 CH₄ 和 CO₂ 转化率分别下降 15% 和 10%归因于均匀性差导致的积碳与催化剂失活而 eDRM 对应的衰减仅为 7% 和 4%热重分析TGA进一步证实 eDRM 催化剂积碳量可忽略质量增加源于 Ni 的氧化而非积碳Joule 加热均匀性有效抑制了催化剂失活。整个 20 h 运行期间系统电阻稳定维持在 ~1.3 Ω、输入功率恒为 110 W无热失控迹象证明系统长期操作的安全可靠性。Fig. 8 · 催化剂新鲜态、还原态与反应后 TEM/STEM/EDX 表征图8对 Ni/Al₂O₃-bm16 催化剂在三种状态新鲜、还原、反应后进行了 TEM/HAADF-STEM/EDX 联合表征。新鲜态中晶格条纹间距 0.208 nmNiO与 0.141 nmNiAl₂O₄与 XRD 结果吻合还原态中 Ni 纳米颗粒清晰可见平均粒径 16.33 nm14–18 nmEDX 显示 Ni、Al、O 均匀分布。20 h eDRM 运行后Ni 纳米颗粒粒径仅轻微增大至平均 21.04 nm17–22 nm活性位点高度分散依然保持直观说明 Joule 均匀加热有效抑制了 Ni 烧结是系统稳定性的微观根源。Fig. 9 · Ni 2p 与 O 1s XPS 分析氧空位与 Ni 价态演变图9通过 XPS 揭示了催化剂在不同状态下 Ni 价态与氧物种的变化规律。新鲜催化剂以 Ni²⁺ 为主还原后可分辨 Ni⁰852.6 eV、Ni⁺854.5 eV、Ni²⁺856.6 eV三种峰Ni⁰ 含量有限与 TPR 结果一致难还原 Ni-O-Al 化合物的存在eDRM 运行后 Ni²⁺ 峰向低氧化态偏移源于还原性产物气氛。O 1s 分峰分析中氧空位Oads含量由新鲜态 33% 升至还原态 43%EPR 定量确认还原态氧空位浓度更高——氧空位促进 CO₂ 吸附活化为活性氧物种是增强 eDRM 活性与抑制积碳的重要机制。总结与展望本研究成功构建了以 SiSiC 开孔泡沫为加热元件与催化剂载体的直接焦耳加热 eDRM 体系通过工艺优化将 Ni/Al₂O₃ 涂层压缩至 ~5 μm在 WHSV 达 900,000 mL gcat⁻¹ h⁻¹ 的极端通量条件下实现了近平衡转化率与 95% 的节能效果20 h 稳定测试完成闭环验证——集高通量、高能效与长寿命于一体为甲烷干重整的工业化电气化改造树立了重要标杆。展望未来随着更耐用的 Ni-M 双金属催化体系引入贵金属或过渡金属修饰及优化金属-载体相互作用策略的引入eDRM 寿命有望进一步延长结合可再生电力风电、光伏的动态响应特性SiSiC 泡沫焦耳加热平台可延伸至甲烷蒸汽重整、CO₂ 加氢等其他吸热反应为化工行业的全面脱碳与紧凑型模块化反应器设计提供通用化技术范式。文献信息Wang D, Ren Y, Jiang Y, Wu Y, Zheng L*, Zhang J*, Sun Y. Electrified dry reforming of methane via direct Joule heating of Ni/Al₂O₃ washcoated SiSiC foams towards ultra-high space velocity operation.Chinese Chemical Letters, 2026. DOI: 10.1016/j.cclet.2026.112936