从CO₂到合成气
利用逆水煤气变换反应（RWGS）和甲烷干重整（DRM）将CO₂转化为一氧化碳。对于由氢气和一氧化碳组成的合成气，我们研究反应条件与催化剂的组合如何影响其组成和产量。
WATANABE LABORATORY / RESEARCH
研究
进展。
涵盖材料、结构、反应器与能源供给的四个研究主题。连接催化化学与反应工程，将分子转化发展为工艺过程。
01 / CARBON CIRCULATION
将CO₂转化为资源。
结合CO₂转化、合成气制造与固体碳固定，研究实现碳循环利用的反应系统。
- KEYWORDS
- CO₂ conversion / syngas / RWGS / DRM / solid carbon / carbon circulation
- FOCUS
- 合成气生产 · 固体碳回收 · 多级反应 · 现场资源化
研究目标
我们研究以CO₂和甲烷为碳源，将其转化为燃料与化学品原料合成气，或可回收利用的固体碳的反应过程。除催化分子转化外，还探讨反应器组合以及产物的分离与回收，以控制碳的去向。
为了在现场将工业废气转化为资源，我们研究气体组成、反应温度、流量与反应平衡之间的关系。将催化材料性能与整个工艺的碳收支联系起来，力求实现连续转化与回收。
主要研究内容
固体碳的转化与回收
将RWGS与由一氧化碳生成固体碳的反应相结合，同时组合甲烷化与重整、分解等反应。研究碳生成的位置、形态、在催化剂上的积累与回收方法，发展在反应持续进行的同时取出碳的工艺。
多级反应与物质循环
连接多个反应级，调节各级的温度、气体组成与除水等条件。掌握各反应的作用和级间物质传递，从整个反应器系统评价CO₂转化、产物回收与碳利用之间的关系。
相关论文
- Performance of integrated multi-stage catalytic conversion of CO2 to solid carbon via RWGS–Boudouard coupling ↗Reaction Chemistry & Engineering, 2025
- Enhancing CO2-to-solid-carbon conversion via flow optimization and water removal in a coupled methanation–reforming reactor ↗New Journal of Chemistry, 2025
02 / STRUCTURED CATALYSTS
让催化剂的形状发挥作用。
利用螺旋结构、多孔金属和涂层，构建兼顾传热与传质的催化反应器。
- KEYWORDS
- structured catalyst / spiral / porous metal / washcoat / CFD / heat & mass transfer
- FOCUS
- 催化剂负载 · 流动促进 · 传热 · 传质 · 高流量应用
研究目标
催化反应器的性能不仅取决于催化材料活性，也取决于反应气体流动、热传递以及到催化剂表面的传质。我们采用以螺旋和多孔金属为基材的结构化催化剂，从材料与形状两个方面构建反应环境。
通过浸涂和镀覆在基材上负载催化组分，调节负载状态与流道形状。结合反应实验与流动、传热分析，研究从气体到达催化剂的过程到反应热传递的各个环节。
主要研究内容
螺旋与多孔金属的几何形状
研究螺旋扭转与多孔金属流道对气体混合、停留以及与催化剂接触的影响。考察提高流量时反应性能与压降的关系，探索适合处理量要求的反应器形状。
催化层形成与负载方法
利用浸涂、化学镀等方法在金属基材上形成催化层。研究催化剂负载量、分布、附着性与反应性能之间的关系，利用基材的导热性与催化材料的功能。
传热、传质与反应性能
通过实验与计算流体力学（CFD）研究反应器内的流动和温度分布。以CO₂甲烷化等反应为例，评价结构化催化剂形状如何有助于分散反应热和供给反应气体。
相关论文
- High-throughput CO2 methanation in a two-stage reactor system with spiral-structured catalysts ↗Reaction Chemistry & Engineering, 2026
- Enhanced thermal management in CO2 methanation using spiral-structured catalysts: a comparative study with honeycomb, monolith, and packed-bed systems ↗Sustainable Energy & Fuels, 2025
03 / e-REACTION PROCESS
从供热方式改变化学工艺。
将电能直接引入反应器与催化剂，利用快速响应、局部加热和设备紧凑化，开发新的反应操作。
- KEYWORDS
- e-Reaction / Joule heating / electrified catalysis / e-Methanation / e-DRM
- FOCUS
- 直接加热 · 温度分布 · 能源利用 · 响应特性 · 多级反应
研究目标
向金属催化结构体直接通电，利用电阻产生的焦耳热进行反应。通过在负载催化剂的结构体中产生热量，控制能量输入位置与反应进行位置的关系，从加热方式研究化学过程。
将电驱动催化剂的材料和发热特性与反应器温度分布、热传递联系起来。研究对输入功率、气体流量及反应组成变化的响应，发展包括CO₂甲烷化和重整在内的电驱动反应过程。
主要研究内容
直接通电与催化剂温度状态
研究电流路径、结构体电阻、催化层位置与发热之间的关系。测量输入功率和反应温度，通过与外部加热比较，评价供热方式对催化反应的影响。
e-Methanation · e-DRM
针对电驱动CO₂甲烷化（e-Methanation）和甲烷干重整（e-DRM），研究转化率、产物组成与催化剂状态。分别考察放热和吸热反应中直接加热与反应热的关系。
连接多个电驱动反应
分级组合甲烷化、重整等反应，调节各级的供电与操作条件。研究启动和条件变化的响应、合成气组成控制与设备小型化，力求构建可在现场使用的反应系统。
04 / LATTICE SULFUR CATALYSIS
将晶格硫用作反应物种。
通过硫化物晶格硫的释放、硫空位的形成及H₂S供硫再插入，研究可反复利用晶格硫的氧化还原催化工艺。
- KEYWORDS
- lattice sulfur / sulfur vacancy / H₂S / redox cycle / dehydrogenation
- FOCUS
- 晶格硫反应性 · 硫空位 · 重新嵌入 · 脱氢 · 含硫化合物
研究目标
将构成硫化物的晶格硫（晶格S）作为参与反应的化学物种。重点关注晶格硫参与从烃中夺氢并以H₂S形式离开的过程，以及硫重新嵌入硫空位的过程。
通过反复消耗和再生晶格硫的氧化还原循环，研究烷烃脱氢与含硫化合物转化。考察反应中材料状态与产物的关系，探讨利用硫物种的催化过程。
主要研究内容
晶格硫与烃的反应
研究硫化物中的晶格硫参与烃转化的过程。以烷烃脱氢制烯烃等反应为对象，考察催化剂组成、反应温度、气体组成与产物选择性的关系。
硫空位形成与再生
关注晶格硫离开后的硫空位以及通过H₂S重新嵌入硫的过程。评价反应与再生条件、硫迁移以及反复操作中的催化性能，探索重复利用晶格硫的反应条件。
向含硫化合物与电驱动反应拓展
探讨由硫物种介导的烃转化与含硫化合物反应。将催化剂表面状态与加热方式联系起来，研究直接加热等反应操作对反应性和产物的影响。
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