钙改性钴镓尖晶石氧载体通过化学链技术强化合成气生产与CO2转化

《International Journal of Hydrogen Energy》：Ca-modified CoGa 2O 4 spinel oxygen carrier boosted syngas production and CO 2 conversion via chemical looping

本文系统探讨了Ca掺杂CoGa2O4尖晶石氧载体在化学链（CL）过程中对高炉煤气（BFG）资源化利用的创新突破。研究表明，Ca改性显著提升了氧载体的比表面积与CO2吸附能力，使CH4/CO2平均转化率分别提升至90.58%和80.25%，合成气产率提高至8.24 mmol/g。该材料展现出优异的循环稳定性，为钢铁行业碳减排提供了新策略。

　　

亮点

化学链技术通过分步转化巧妙规避了CO对CO₂转化的抑制作用，同时利用CH₄部分氧化生成合成气。Ca掺杂的CoGa₂O₄尖晶石氧载体在反应中表现出卓越的协同增效作用：Ca元素不仅扩大了材料比表面积，更通过增强CO₂吸附能力显著提升了转化效率。

材料合成

采用共沉淀法精准制备系列CoGa₂O₄氧载体。将计量比的硝酸镓、硝酸钴与硝酸钙溶于去离子水，40°C搅拌1小时后用氨水调节pH至7–8，继续搅拌并室温老化2小时。经过滤洗涤后，60°C干燥12小时，最终在800°C煅烧4小时获得目标产物。

结果

CH₄-TPR（程序升温还原）测试揭示了CH₄部分氧化的最佳温度窗口。如图1所示，所有氧载体在700°C左右启动反应，830°C时CO与H₂生成量达到峰值。结合CO/CO₂-TPO（程序升温氧化）与热力学计算，最终选定750°C作为最优反应温度。Ca掺杂对氧化还原性能的提升尤为显著：Ga_0.7Co_0.2Ca_0.1O_x的CH₄转化率与合成气产率分别达到90.58%和8.24 mmol/g，较未掺杂样品提升明显。

结论

本研究成功通过Ca离子掺杂优化了CoGa₂O₄氧载体的反应活性。在化学链转化高炉煤气过程中，改性材料展现出更高的CO₂转化效率与循环稳定性，为工业级碳资源循环利用提供了新材料设计思路。