甲烷干重整(DRM)是將甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)這兩種溫室氣體轉化為合成氣的過程。以納米粒子為主要形式的金屬鎳(Ni)由于具有較高的C-H活化能力和較低的成本而被廣泛用于催化DRM。在反應過程中，通常需要高溫(>600 °C)以促進高吸熱反應(ΔH_298K=247 kJ mol^-1)，但Ni的低Tammann溫度(581 °C)會導致其在DRM操作溫度下燒結；此外，金屬Ni納米顆粒在活性位點之間顯示出緊密的接近性，催化劑上會發生連續的C-H鍵斷裂和隨后的C-C偶聯，導致嚴重的焦炭形成，從而降低催化劑的壽命，這限制了Ni催化DRM的發展。

最近的研究表明，雖然陽離子Ni與CH₄的結合能比金屬Ni低，但它仍能有效地促進CH₄的C-H鍵斷裂(這是DRM過程中的一個關鍵步驟)。基于此，阿卜杜拉國王科技大學韓宇和Jorge Gascon等報道了一種配體保護的水熱合成法，它能夠使Ni在MFI沸石骨架中以0.9 wt%的負載量分散，且所獲得的催化劑(Ni-MFI-HT)主要含有陽離子Ni，只有少量的金屬Ni存在。

為了比較，研究人員采用后合成法制備了兩種Ni負載相同的MFI(即硅沸石-1)負載Ni催化劑。與Ni-MFI-HT相比，所得催化劑的金屬Ni含量顯著提高，分別為66.6% 和97.6%。通過對這三種催化劑性能的比較分析，研究人員得以考察陽離子Ni和金屬Ni在DRM反應中各自的催化作用。

具體而言，在三種催化劑中，Ni-MFI-HT的表觀催化活性最高，抗積炭能力最強。在600 °C和空速(GHSV)為62l g_cat^-1 h^-1(CO₂/CH₄/N₂=1:1:8；1 bar)的條件下，CH₄和CO₂轉化率分別為62.2%和70.6%，結焦率為5.4×10.6 mol_C g_cat^-1 h^-1；并且，在高GHSV (124 L g_cat^-1 h^-1)或高壓(16 bar)條件下進行的長期實驗證實了Ni-MFI-HT的優異穩定性。

研究人員將Ni-MFI-HT的優異性能歸因于沸石骨架內原子分散的Ni陽離子位點的存在，其極化了周圍的O原子，導致形成豐富的金屬-氧對(Ni^δ+-O^(2-ξ)-)。這些金屬-氧對具有斷裂CH₄的C-H鍵的能力，并且它們的完全暴露導致高比活性。此外，研究人員通過實驗證明，在陽離子Ni位點上，由CH₄產生的CH_x*傾向于遵循氧化途徑，形成CO*和H*物種，而不是經歷產生C*的連續的C-H鍵斷裂，這一發現為Ni-MFI-HT具有優異的抗結焦性能提供了理論依據。

Highly efficient and stable methane dry reforming enabled by a single-site cationic Ni catalyst. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c04581