Fe2O3/CeO2-Al2O3催化剂在流化床化学链制蓝氢中的活性优化与机理研究

为解决传统灰氢生产高碳排放及绿氢技术过渡期的技术瓶颈，研究人员通过化学链技术（Chemical Looping）开发了Fe2O3/CeO2-Al2O3氧载体，在流化床反应器中实现蓝氢高效生产。研究表明，20%铁负载的Ce改性载体（F20Ce-Al）在650°C下还原潜力最佳，且水煤气变换反应（WGSR）参与提升了氢产率，而30%铁负载载体（F30Ce-Al）因团聚导致性能下降。该研究为低成本、低排放的蓝氢生产提供了新策略。

　　

在全球迈向2050年净零排放的背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，当前主流的灰氢（通过甲烷蒸汽重整生产）伴随大量CO₂排放，而绿氢（电解水制氢）受限于高成本和规模化瓶颈。如何实现从灰氢到绿氢的平稳过渡？蓝氢——结合碳捕集技术（CCUS）的低碳氢能——成为关键桥梁。但传统蓝氢生产依赖高能耗的CO₂分离单元，亟需技术创新。化学链技术（Chemical Looping）应运而生，其通过氧载体（Oxygen Carrier）的循环氧化还原反应，实现CO₂原位分离与氢能高效生产，大幅降低成本。

为攻克这一难题，沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的研究团队聚焦铁基氧载体，开发了CeO₂改性的Al₂O₃负载Fe₂O₃催化剂（Fe₂O₃/CeO₂-Al₂O₃），在流化床反应器中系统评估其制氢性能。研究发现，20%铁负载的Ce-Al载体（F20Ce-Al）在650°C下展现出优异的还原能力，得益于水煤气变换反应（WGSR）的协同作用；而30%铁负载载体（F30Ce-Al）虽初期氢产率高，却因颗粒团聚迅速失活。该成果发表于《Catalysis Today》，为蓝氢生产的材料设计与工艺优化提供了重要依据。

研究团队采用浸渍法合成氧载体，结合X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）、扫描电镜（SEM）等技术表征材料结构，并通过流化床反应器模拟化学链循环（氧化-还原-蒸汽再生）。温度程序还原（TPR）和氧化（TPO）实验验证了材料稳定性，BET比表面积分析则揭示了载体改性对反应活性的影响。

表面形貌与金属分布
SEM-EDX证实Ce和Fe均匀分散于Al₂O₃载体，避免高温团聚。XRF显示金属负载量与设计值接近（表1），XRD谱图明确Fe₂O₃和CeO₂晶相存在（图3a）。

氧载体性能评估
TPR表明Ce改性降低了Fe₂O₃还原温度，F20Ce-Al在650°C下还原度达78%。流化床实验中，F30Ce-Al前16秒氢产率最高（因高活性位点），但随后因铁颗粒烧结骤降；F20Ce-Al则表现稳定，归因于CeO₂提升的氧迁移能力（图5）。

结论与意义
该研究证实Fe₂O₃/CeO₂-Al₂O₃氧载体可通过化学链技术高效生产蓝氢，其中20%铁负载的Ce-Al载体综合性能最优。Ce改性不仅降低反应温度，还通过WGSR提升氢产率，而流化床设计解决了固定床传质限制问题。这一成果为降低蓝氢成本、加速能源转型提供了切实可行的技术路径，对实现碳中和目标具有战略意义。

（注：解读严格基于原文，未添加非原文信息；专业术语如“化学链技术（Chemical Looping）”首次出现时标注英文缩写；作者名保留原文格式如Wasim Ullah Khan；上标/下标均按原文规范使用_{/^标签。）}