合成气以一氧化碳和氢气为主要成分，被广泛用于甲醇和氨等化工产品的合成。甲烷干重整反应（DRM）在生成合成气的同时又消耗了甲烷和二氧化碳两种温室气体，因而受到了广泛关注。

贵金属Pt、Pd、Ru和Rh被广泛用于催化DRM反应，但这些催化剂对DRM的选择性低，并且有一系列的竞争性副反应。Ni基催化剂是针对DRM反应最为廉价且较高效的一类催化剂，原位的谱学技术已经发现Ni催化剂表面的氧物种在催化活性中扮演着重要的角色，但表面微结构与催化活性之间的关系却鲜有报道。

近日，德国马普所Thomas Lunkenbein教授的研究团队在中国科技期刊卓越行动计划重点期刊Journal of Energy Chemistry上发表题为“Visualizing the importance of oxide-metal phase transitions in the production of synthesis gas over Ni catalysts”的文章。该研究采用了可植入环境扫描电镜腔体的控温反应池，在高达900 ℃的温度下观察了催化剂表面结构的动态演变，与在线质谱探测器的产物特性分析结果相关联，首次揭示了Ni催化剂催化DRM反应的活性相特征及其随温度、反应气氛的动态演变特点。

通过在环境扫描电镜下的多次循环升降温操作，作者观察到催化剂表面微结构的规律性变化。结合在线质谱的反应尾气信号分析，证明了Ni催化剂在较低反应温度770 ℃下易与来自于CO2的O结合生成Ni的氧化态岛状结构，氧化态结构活化甲烷能力弱，从而催化DRM反应的活性低；而在890 ℃高温下，氧化态Ni消失，主要以非氧化态的Ni单质、NiHx和NiC等形态存在，这类非氧化态Ni具有高效活化甲烷和CO2的能力，是催化DRM反应的活性相。

该研究首次应用环境扫描电镜分析了Ni催化剂在高温工况下的表面结构演变，证明了氧化态Ni是抑制催化活性的表面惰性结构，为高效DRM反应Ni基催化剂的设计提供重要指引。

该研究以单组份Ni为模型催化剂，结合环境扫描电镜和在线质谱，巧妙的选择了催化剂从770 ℃和890 ℃这一从低活性切换到高活性的温度区间，通过循环变温实验、步进式升降温实验，将催化剂表面的ESEM规律性成像同在线质谱的反应物和产物强度信号进行深入关联，揭示了Ni催化剂用于DRM反应在真实反应条件下的反应活性相，证明了氧化态Ni对反应活性的抑制，为高效催化DRM的Ni基催化剂的设计提供了重要参考。