多项研究表明，到2100年大气中的CO2浓度将达到790 ppm（Jones等人，2023年）。由CO2排放增加引发的气候变化被认为是全球可持续发展的主要障碍（Hodson，2017年）。因此，高效捕获和利用CO2已成为实现碳中和的紧迫研究需求（Guo等人，2024年；Long等人，2024年）。重要的是，使用可再生氢气还原捕获的CO2以选择性生产甲烷已成为一个有前景的研究方向（Kang等人，2023a年；Vogt等人，2019年；Xu等人，2021年）。
CO2甲烷化反应是一个放热反应，具有反应条件温和和平衡转化率高的优点（Jiang等人，2023年）。此外，CO2甲烷化被认为是航天机构进行长期太空探索任务的重要过程（Vogt等人，2019年）。常用的CO2甲烷化催化剂包括基于钌的（Deng等人，2025年；Wang等人，2022a年）、基于镍的（Huang等人，2025年；Vrijburg等人，2019年；Zhao等人，2024年）和基于钴的（Gamal等人，2025年；Zhao等人，2021年）系统。其中，基于镍的催化剂因其相对的成本效益和在高反应温度下的优异催化活性而被广泛采用（Hu等人，2021年）。然而，基于镍的催化剂在低温（<200 °C）下的CO2活化以及高温（>350 °C）下的烧结方面仍面临挑战（Fan等人，2025年；Hu等人，2021年；Wasnik等人，2025年）。因此，集成具有丰富碱性位点、氧空位和热稳定性的载体可以有效解决这些挑战。常用的基于镍的催化剂载体包括Al2O3（Byron等人，2025年；Muroyama等人，2016年）、SiO2（Aziz等人，2014a年；Ye等人，2019年）、CeO2（Barreau等人，2023年；Zhang等人，2024b年）和ZrO2（Jia等人，2019年；Li等人，2019年；Yang等人，2024年）。值得注意的是，ZrO2载体具有出色的热稳定性、明确的酸碱性质和氧化还原功能，这些性质共同增强了CO2的吸附和活化，同时提高了催化剂的稳定性（Han和Zhu，2013年）。例如，Lin等人（2019年）采用溶胶-凝胶法制备了一种介孔Ni/Al2O3-ZrO2催化剂。研究发现，ZrO2的加入产生了氧空位，并形成了Al2O3-ZrO2固溶体，从而在100小时内提高了CO2甲烷化的催化稳定性。
尽管在低温CO2甲烷化方面存在挑战，但调节金属-载体相互作用已被证明是一种有效的策略（Li等人，2024年；Liu等人，2023年；Ren等人，2024年；van Deelen等人，2019年）。在异相催化中，金属-载体相互作用（MSI）显著影响催化性能。典型的MSI现象包括电荷转移、界面周长、纳米粒子形态、化学组成和强金属-载体相互作用（SMSI）（van Deelen等人，2019年）。许多研究通过调整MSI来优化结构和纹理性质，从而提高催化性能。例如，Ye等人（2023年）通过优化SMSI和氧空位浓度，提高了Ni活性位点的局部电子密度，从而在Ni/ZrO2催化剂上实现了优异的低温CO2甲烷化活性和稳定性。通常，调节MSI的策略包括热处理、还原剂、还原-氧化循环、覆盖层沉积和吸附剂介导的处理（van Deelen等人，2019年）。最近的研究从优化制备参数转向理解还原引发的催化剂动态构建和功能化机制。具体来说，使用H2等还原剂激活催化剂是一个复杂的表面和界面工程过程，涉及三个核心维度：还原剂不仅将金属前驱体转化为活性位点，还与载体相互作用以产生对惰性分子吸附至关重要的氧空位（Liu等人，2025年；Xu等人，2024年）；活性金属-载体界面在还原气氛中动态形成，还原条件控制金属分散和缺陷相互作用，从而定义界面性质（Chen等人，2025b年；Frey等人，2022年）；催化剂表面性质如碱性在还原过程中是可调的，通过电子态调制产生动态碱性位点，这对于理解实际催化环境中的反应物吸附至关重要（Wang等人，2025年；Zhai等人，2025年）。因此，还原是协同调节金属分散、载体缺陷化学和表面性质的关键步骤，共同决定了最终的催化剂性能。
至关重要的是，还原温度精细调节MSI，形成独特的金属-载体界面，同时稳定均匀分散的活性位点。Monai等人（2023年）证明，在400 °C还原过程中在Ni/TiO2上形成的薄TiOx覆盖层在CO2氢化条件下完全去除。相比之下，600 °C还原后的CO2氢化仅部分暴露了镍。这些镍物种在TiOx界面形成了C-C偶联的位点，作为碳库。此外，Yuan等人（2024年）通过改变还原温度调节了MSI，改变了锐钛矿TiO2的表面环境。他们发现，适度厚的TiOx覆盖层使得在高表面积载体上实现了高镍分散，从而显著提高了CO2甲烷化速率。此外，各种受控气氛处理调节了MSI，形成了优化的界面配置和活性位点，从而提高了催化性能。例如，Kang等人（2023b年）报道了一种H2还原的Ru/TiOx-MnO催化剂，其中TiOx是通过原位还原预覆盖的MnO载体生成的。这一过程创建了一个TiOx-MnO界面，作为氢的溢流通道，加速了氢的传输，从而促进了CO2的氢化。Qin等人（2023年）调整了预处理气氛（5 % H2，5 % CO，5 % 合成气，H2/CO = 2），在单晶钴上沉积了碳物种。这些碳物种在活性位点的表面和亚表面不同地影响了费托合成反应性和产物选择性。虽然许多研究改善了催化性能，但涉及调整CO2氢化催化剂预处理条件（温度和气氛）的策略很少有报道。
基于现有报告和我们的先前工作，我们进一步优化了Ni/ZrO2催化剂的还原温度和预处理气氛，以定制其MSI和CO2甲烷化性能。为了探索潜在的结构-活性关系，我们使用TEM、XPS、拉曼和原位 DRIFTS表征方法分析了不同预处理条件下的Ni/ZrO2催化剂。总体而言，我们发现涉及还原温度和预处理气氛的策略可以有效调节MSI和CO2甲烷化性能。
