Liang Yan, Hui Zhou, Run Hong, Xing Zhang, Huaqiang Chu*.
Flame synthesis of high-quality carbon nanotubes on Ni/CeO2: A multiscale mechanistic study from support calcination to catalytic growth.
Proceedings of the Combustion Institute
, 2026, 42:
106389.
论文简介：碳纳米材料的火焰合成技术长期面临合成窗口狭窄且难以精准锁定的难题。受甲烷干重整反应产物（CO与H2）恰好是碳纳米管合成的优质碳源与刻蚀剂启发，本文提出了一种原位重整辅助催化的策略。将传统的被动寻找火焰合成窗口转化为主动在催化剂表面构建适宜碳纳米管生长的微环境。具体而言，本工作在甲烷层流扩散火焰的火焰暗区成功协同激活Ni/CeO2催化体系，并实现了高质量碳纳米管的合成。基于反应分子动力学模拟，本研究从催化环境与催化剂体系两个维度对催化过程进行了解析。将不同结构碳源的催化成核过程抽象为碳源分子与催化剂颗粒之间物理吸附与化学吸附的竞争，利用Ni-C配位数量化了成核阶段不同拓扑结构碳源的催化转化能力；同时阐明了预煅烧处理在提升催化体系热稳定性中的关键作用。此外，利用火焰还原性气氛刻蚀下裸露的催化剂基板非原位表征结果进一步证实了纳米催化剂颗粒呈高分散性阵列排布。
重要结论：
本文
基于在
火焰中原位构建催化环境的思路，率先采用
Ni/CeO2
催化体系在甲烷层流扩散火焰中成功合成碳纳米管，产物展现了高密度、均一性与同向性。主要结论如下：
(1)、火焰暗区还原性气氛能够原位协同激活Ni/CeO2催化系统。通过在不同火焰高度进行取样，本工作将催化剂活化与碳沉积组装碳纳米管过程进行解耦。还原区刻蚀形成无碳沉积的裸露催化剂，有效解决火焰中难以原位表征的难题，证实了CeO2涂层上Ni纳米颗粒的高分散性的阵列分布。
(2)、火焰催化环境中，碳源分子结构是决定催化生长路径的关键因素。随着碳源分子的增大，催化机制从典型的碳溶解-析出向物理堆叠转变，催化能力随之下降。此外，873 K预煅烧触发的能有效稳固CeO2涂层，使其抵御火焰高温二次烧结所造成的结构坍塌及活性Ni催化剂掩埋。
(3)、针对高温火焰环境中催化剂烧结、积碳中毒以及氢抑制的三大难题。本研究的Ni/CeO2体系基于金属-载体强相互作用力，与晶格氧循环效应。在火焰环境中同步提供了催化剂高分散，去积碳，氢溢流的三条解决途径。
