Nature子刊:镍基反相催化剂

将沼气提质为管输级天然气（>95%CH4）是提升沼气价值的关键路径。沼气直接甲烷化虽具前景，但受限于传统镍（Ni）基甲烷化催化剂性能不足，需采用循环或多段工艺作为工程补偿。

2026年1月7日，浙江大学廖祖维，北京大学马丁，浙江工业大学林丽利在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Economical biogas direct methanation to pipeline grade natural gas via structured Ni based inverse catalyst》的研究论文，Xin Tang，Xincheng Zhang，Ziyu Song为论文共同第一作者，廖祖维，马丁，林丽利为论文共同通讯作者。

在本文中，作者通过流程模拟与经济分析，证明单段甲烷化在固定投资与运行成本上均显著优于常规路线；开发并放大了一种CeZrOx/Ni结构反相催化剂，该催化剂生长在多孔Ni-foam上，比粉体反相催化剂具有更高的比表面积和更强的水移除能力。其出色的低温活性使沼气中CO2转化率达近平衡值97.8%，从而通过单段甲烷化直接生产管输级甲烷。凭借催化剂与工艺的创新，利用工业副产物氢气将沼气转化为低碳甲烷的成本可与天然气竞争。

沼气是有机物厌氧发酵产物，被视为可就地满足炊事与电力需求的可再生能源，可在减少有机废弃物与温室气体排放两大挑战中发挥双重作用。国际能源署数据显示，全球沼气潜力已与年天然气消费量的相当；高效利用可在乐观情景下削减超十亿吨温室气体排放。然而沼气仅含50-70%甲烷，需脱除杂质（主要为CO2）并提质至管输级天然气，方能进入国家或国际天然气管网。

目前示范工艺多采用变压吸附、膜分离或化学吸收等物理-化学手段脱除CO₂，但所得高浓度CO2常被废弃，除非另加利用单元。替代策略——沼气直接甲烷化——将提质与甲烷化合二为一，可充分利用CO2并使甲烷产量近乎翻倍。管输级天然气要求CH4>95%、H2<5%，因此直接甲烷化需使CO2转化率达97.3-98.2%（依沼气CO2含量而异）。受反应热力学限制，单段反应器须在≤242-337°C下操作。

传统镍基Sabatier催化剂低温活性差，CO2转化率常<90%，出口CH4仅70-85%，无法达标；现有商业示范被迫采用350-500°C高温，并配合单段循环或多段串联及中间脱水等复杂工程，导致投资与运行成本高昂，在经济欠发达、沼气资源丰富的农村、牧场与垃圾填埋场难以推广。因此，开发可在低温下实现高转化率的先进催化剂，成为解锁单段甲烷化技术的关键。

反相催化剂（氧化物纳米颗粒分散于金属基底）近期在CO2甲烷化中表现突出，CeZrOx/Ni与ZrO2/Ni体系可在200°C实现>90%转化率，显示出单段沼气甲烷化潜力。然而，粉体反相催化剂成型后金属利用率低，传热传质受限，水热稳定性差。Ni-foam骨架具有优异的传热传质性能，将Ni基反相活性位点构筑于其上，可望提升表观性能与寿命。

本研究首次证明CeZrOx/Ni/Ni-foam结构反相催化剂可实现单段直接甲烷化，固定投资比单段循环与多段工艺分别降低38%与11%，运行成本再降33%与15%；催化剂活性比粉体提高，对氢价敏感度下降，可利用化石副产氢盈利；面向中国2050年绿氢情景，可在国土14.7%区域内生产与管输气价格竞争的零碳生物甲烷。

图1：沼气升级工艺与经济对比。图解物理/化学分离与直接甲烷化路径，给出单段（SS）、单段循环（SSC）与多段（MS）三种流程；模拟显示SS固定投资比SSC、MS分别降38%与11%，运行成本再降33%与15%，为一步法奠定经济可行性。

图2：结构化反相催化剂制备与反应性能。Ni泡沫骨架上生长CeZrOx/Ni反相界面，Ni比表面积提升至58.5 m2 g-1，为粉体3倍；水反应级数由-0.22降至-0.06，加速水脱附；240 °C、1 bar下CO2转化率97.8%，一步产出>95%CH4，实现低温窗口突破。

图3：反相界面精细结构表征。HAADF-STEM显示~2 nm CeZrOx纳米岛均匀锚定于NiO连续相；原位XPS证实还原后Ce3+占60%，氧空位丰富；6-40 mm放大制备片活性重现，验证宏量可扩展性。

图4：直接沼气甲烷化活性与稳定性。常压240 °C即达97.9% CO2转化，出口CH4≥95%；15bar时200-280 °C全满足管网标准；60% CO2高负荷下仍保持>96% CH4；350 h连续运行无失活，首次落入热力学“甜蜜区”，实现单段工艺窗口。

图5：经济-地图评估。灰/蓝氢下生物甲烷成本可降至0.6-0.8USDkg-1，与化石天然气持平；2050年绿氢成本模型显示单段技术在中国14.7%国土（1.42×106km2）可产低于管价的零碳甲烷，若接受25%绿色溢价则适用面积近半，可消纳全国79%沼气潜力。

综上，作者设计并放大CeZrOx/Ni/Ni-foam结构反相催化剂，在240 °C、常压下单段实现97.8% CO2转化，直接产出>95% CH4管输级沼气；该单段工艺固定投资与运行成本分别较传统路线降38%与33%，可利用廉价副产氢盈利，并在中国14.7%国土上生产与天然气管网价格竞争的零碳生物甲烷，为低成本分布式沼气提质与可再生燃气供应提供可扩展技术路径。

Economical biogas direct methanation to pipeline grade natural gas via structured Ni based inverse catalyst.

Nat. Commun.

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