甲烷干重整不仅利用了甲烷和二氧化碳这两种强效温室气体，还为化学品生产提供了宝贵的原料。然而，在过去的一个世纪里，该工艺一直受到高温操作和积碳导致催化剂失活的严重阻碍。

2025年10月30日，西南石油大学周莹、黄泽皑在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Concentrated-solar catalytic methane dry reforming with ultrahigh conversion and durability》的研究论文，Zhiqiang Rao为论文第一作者，周莹、黄泽皑为论文共同通讯作者。

在本文中，作者提出了一种聚光太阳能催化甲烷干重整的新方法，以解决这些长期存在的问题。该方法以聚焦光为唯一能源，并采用精心设计、具有Ni-O₄配位活性中心的催化剂，实现了甲烷（CH₄）转化率93.6%和二氧化碳（CO₂）转化率93.7%的高水平，同时保持超过800 h的稳定性。值得注意的是，其光到化学能的转换效率达到了25.9%。

本研究在将可再生能源与化学生产相结合方面迈出了重要一步，为传统热化学工艺生产高附加值化学品提供了一种可行且可持续的替代方案。

图1：催化剂的合成与结构表征。展示了Ni单原子在不同CeO₂晶面上的配位结构（Ni-O₂、Ni-O₃、Ni-O₄）及其STEM图像与EDS元素分布图。通过HAADF-STEM、XANES和EXAFS等表征手段，确认Ni以单原子形式分布于不同CeO₂晶面上，且其配位环境分别为Ni-O₂（110）、Ni-O₃（111）和Ni-O₄（100）。

图2：聚光太阳能催化DRM反应性能。展示了不同Ni₁/CeO₂催化剂在聚光太阳能条件下的CH₄和CO₂转化率随光强变化的趋势，以及其在580 °C下的稳定性测试结果。Ni₁/CeO₂(100)表现出最高转化率（CH₄：93.6%，CO₂：93.7%）和超过800 h的稳定性，显著优于传统热催化DRM。

图3：表面反应机制研究。通过SSITKA-DRIFTS和C¹⁸O₂同位素交换实验，揭示了聚光太阳能条件下Ni₁/CeO₂(100)催化剂在CH₄和CO₂活化过程中的中间体形成路径。结果表明，光照促进了CO₃向HCO₂的转化，并增强了CO的生成。

图4：配位氧的动态演变。通过原位NAP-XPS和准原位高分辨XPS分析，比较了Ni₁/CeO₂(110)、Ni₁/CeO₂(111)和Ni₁/CeO₂(100)在聚光太阳能和热催化DRM过程中氧空位的生成与补充。Ni₁/CeO₂(100)表现出更强的氧迁移能力和配位氧参与反应的能力。

图5：反应机制与电荷转移。通过SSITKA-DRIFTS和瞬态吸收光谱（TAS）研究了不同Ni配位结构在DRM反应中HCO₂^*中间体的生成差异，以及光生载流子的动力学行为。Ni₁/CeO₂(100)表现出更优的CO₂活化能力和更快的电荷转移效率。

图6：聚光太阳能催化系统示意图。展示了聚光太阳能DRM系统的结构设计与反应机制模型。Ni₁/CeO₂(100)催化剂在真实太阳光下实现了CH₄和CO₂的高效转化，验证了该策略在实际太阳能驱动条件下的可行性与稳定性。

综上，作者通过聚光太阳能驱动甲烷干重整（DRM）技术，首次在温和条件下实现了高转化率（CH₄达93.6%、CO₂达93.7%）与超长稳定性（>800 h）的协同突破，光-化学能转化效率高达25.9%，显著优于传统热催化体系。其创新点在于利用Ni-O₄配位单原子催化剂与聚焦太阳光耦合，有效抑制积碳并加速氧空位动态循环，破解了DRM工艺高温、失活、低效的百年难题。

该成果不仅提供了可再生能源直接转化为化学品的新范式，还为天然气与CO₂高值化利用、太阳能储存及分布式绿色合成开辟了一条低能耗、低碳排、经济可行的技术路径，具备广阔的工业放大与产业化前景。

Concentrated-solar catalytic methane dry reforming with ultrahigh conversion and durability. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64643-0.