双金属Ni-Co 催化剂在苯加氢反应中的协同效应研究

关键词：双金属 催化剂；苯加氢；协同效应；催化性能；电子调控

一、双金属Ni-Co 催化剂苯加氢协同效应的核心问题梳理与成因初探

（一）双金属Ni-Co 催化剂苯加氢协同效应的核心问题识别

在苯加氢反应体系中，双金属 Ni-Co 催化剂的协同效应虽经实验证实可提升反应性能，但实际工业应用中仍有核心问题待解。其一，协同效应稳定性欠佳，催化剂连续反应时活性位点结构易变，致协同作用强度随反应时长衰减，难长期维持高效催化。其二，选择性调控难度大，反应中 Ni 与 Co 活性位点作用易失衡，诱发副反应生成非目标产物，影响产物纯度。其三，对反应条件敏感，温度、氢气压力等参数微幅波动便可能抑制协同作用，降低催化剂环境适应性，无法满足不同工艺需求。

（二）双金属Ni-Co 催化剂协同效应稳定性不足的成因分析

从催化剂结构特性与反应体系作用机制分析，协同效应稳定性欠佳的成因集中于两大维度。其一，双金属 Ni-Co 催化剂的晶体构型在反应中易重构，Ni与 Co 原子迁移会改变活性位点空间分布及间距，破坏原有协同作用界面，降低活性位点间电子传递效率，最终削弱协同效应 [1]。其二，反应体系内杂质分子易在催化剂表面吸附，除占据部分活性位点外，还可能与 Ni 或 Co 原子形成稳定化合物，阻碍二者正常相互作用，导致协同效应难以持续发挥。

（三）双金属Ni-Co 催化剂协同效应选择性与条件敏感性的成因解析

双金属 Ni-Co 催化剂协同效应选择性调控难度大，成因与 Ni 和 Co 的电子特性差异密切相关。Ni 活性位点对苯环吸附力强，易推动完全加氢；Co 活性位点更倾向催化部分加氢，二者比例不当或电子作用失衡，会使反应路径偏向非目标方向，降低产物选择性。此外，协同效应对反应条件敏感，因反应参数变化会影响 Ni-Co 界面电子态，如温度升高改变 Ni 与 Co 原子电子云分布，进而影响活性位点对苯分子的吸附能与活化能，干扰协同作用，导致催化剂性能对条件波动敏感。

二、双金属Ni-Co 催化剂协同效应调控策略制定与优化效果验证

（一）双金属Ni-Co 催化剂协同效应的精准调控策略构建

围绕协同效应在稳定性、选择性及条件适应性方面存在的核心问题，结合催化剂界面作用机制，可构建多维度的精准调控策略。在活性位点界面调控维度，采用分步浸渍与高温焙烧相结合的工艺，严格控制 Ni 与 Co 的负载顺序及500-700℃的焙烧温度，促使 Ni-Co 合金固溶体结构形成，将活性位点间距稳定在 0.28-0.32nm 范围内，以此减少反应过程中原子迁移引发的结构坍塌；与此同时引入 Al ₂ O ₃ -ZrO ₂复合载体，借助载体与金属间的强相互作用，将活性位点锚定率提升至 90% 以上，进一步增强协同效应的长效性[2]。在电子态调控维度，通过原位氮掺杂技术在催化剂表面构建 N-Ni-Co 键，实现 Ni2p ₃ / ₂电子结合能 0.4-0.6eV 的偏移及 Co2p ₃ / ₂电子结合能 0.3-0.5eV 的偏移，进而将活性位点对苯分子的吸附能从 -5.2eV 优化至 -4.8eV ，降低副反应活化能垒，实现目标产物选择性的提升。在反应条件适配调控维度，设计梯度孔径载体（孔径分布分别为 2-5nm 、 5-10nm ），让不同孔径区域的活性位点分别与 120-160^∘C 、160-200℃的反应温度区间相适配，有效拓宽催化剂对反应参数的耐受范围。

（二）双金属Ni-Co 催化剂协同效应优化效果的量化验证

借助系列表征手段与反应实验，可对协同效应的调控效果开展量化验证工作。采用 X 射线衍射（XRD）技术检测发现，经过调控的催化剂，其 Ni-Co 合金特征峰半高宽从 0.8°降至 0.5°，晶体结构的有序度得到明显提升；通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察能够看到，在连续反应 100h 后，该催化剂活性位点的团聚率仅为 8% ，这一数值远低于调控前 25% 的水平。运用 X 射线光电子能谱（XPS）分析可知，催化剂中 Ni 的高价态（Ni³ ⁺）占比从 12% 提升至 23% ，而 Co 的低价态（Co² ⁺）占比则从 35% 降至 22% ，说明电子态调控已达到预期目标。在固定床苯加氢反应体系中，调控后的催化剂表现出更优性能：苯转化率稳定维持在 98% 以上，即便连续反应150h，转化率下降幅度也仅为 3% ，而调控前的催化剂在 100h 内转化率下降幅度就已达到 12% ；同时，目标产物环己烷的选择性从 89% 提升至 97% ，副产物甲基环戊烷的生成量则从 5% 降至 1% 以下。

（三）双金属Ni-Co 催化剂调控效果的场景化验证及数据对比

面向工业苯加氢的典型应用场景，可开展催化剂调控效果的针对性验证，同时通过表格形式对不同场景下的性能差异进行量化呈现 [3]。在低温低压场景（反应温度 120℃、氢气压力 2MPa ）中，经过调控的催化剂苯转化率可达95% ，这一数值较调控前提升18 个百分点；处于高杂质场景（反应体系含 0.05% 硫化物）时，连续反应 50h 后，该催化剂的转化率下降幅度仅为 5% ，远低于调控前 28% 的下降水平；而在间歇启停场景（经历 10 次循环操作）中，调控后催化剂的活性恢复率能够达到 96% ，调控前这一指标则仅为 75% 。

结语：

本文围绕双金属 Ni-Co 催化剂苯加氢协同效应开展系统研究，梳理出其稳定性欠佳、选择性难调控、条件敏感性突出的核心问题，阐明晶体结构重构、电子态失衡与杂质吸附是关键成因。通过构建活性位点界面、电子态及反应条件适配的多维度调控策略，实验证实该策略可有效改善催化剂性能，使苯转化率维持高位、目标产物选择性优良，为高效催化剂开发提供技术支撑。后续可进一步探索载体 - 金属作用机制、优化工艺降本，完善催化剂抗杂质设计，推动其在苯加氢工业化中广泛适配落地。

参考文献

[1] 王心平 .Ni-Co-P 基电催化剂的制备及其性能研究 [D]. 沈阳工业大学 ，2024.

[2] 潘雄飞 .Ni 基催化剂催化 CO2 加氢反应的理论研究 [D]. 山西大学 ，2023.

[3] 秦欣妍 ， 温佳丽 ， 徐嘉乐 ， 等 . 双金属 Ni-Co 基析氧反应电催化剂研究进展 [J]. 南方能源建设 ，2022，9（04）：135-142.