编辑推荐：
为探究催化剂对煤焦 CO?气化反应的影响，研究人员开展单一及二元催化剂（K?CO?、K?CO?/Na?CO?）用量与温度对反应作用的研究。发现 K?CO?提升碳转化率与反应速率，二元催化剂削弱石墨化、促进均匀分布，Na?CO?促进键断裂。为煤气化提效提供依据。
在能源需求激增与环保压力并存的背景下，传统煤炭直接燃烧的低效与高污染问题日益凸显。催化煤气化（CGC）技术因能加速反应速率、提升碳转化效率并降低操作温度，成为缓解能源与环境矛盾的重要方向。然而，催化剂对气化过程的影响机制，尤其是动力学特性，受催化剂类型、用量、负载方式及煤质特性等复杂因素制约，仍需深入探究。单一碱金属催化剂虽具活性，但存在分散不均、易团聚等局限，而多组分催化剂的协同效应有望突破这一瓶颈。在此背景下，华东理工大学的研究人员开展了钾（K）、钠（Na）基催化剂对煤焦 CO?气化反应中结构演变的研究，相关成果发表于《Fuel》，为优化煤气化工艺提供了关键理论支撑。
研究人员采用固定床反应器开展煤焦气化实验，运用高温阶段显微镜（HTSM）分析催化剂负载量对反应活性的影响，借助拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）追踪气化初期（0–15 分钟）煤焦碳结构与有机官能团的演变，并通过聚焦离子束（FIB）结合扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）揭示元素分布特征。实验以某工厂煤（CM）为原料，经脱矿处理得到 CAW 样品，使用 K?CO?（纯度 > 99%）和 Na?CO?（纯度 > 99.9%）作为单一及二元催化剂，通过浸渍法负载。
气化反应活性研究
图 5 数据显示，850℃下，随着催化剂负载量增加，煤焦颗粒的碳转化率随时间推移显著提升。反应至 480 秒时，单一 K?CO?催化剂（CH-2.2-K）的碳转化率为 61.49%，而 K-Na 二元催化剂（CH-2.2-K/Na）达 72.52%，表明二元催化剂显著增强了催化效率与活性，促进碳的高效转化。
结构与官能团演变
拉曼光谱与 FTIR 分析表明，K?CO?负载可抑制煤焦气化过程中的石墨化（石墨化指碳结构向高度有序的类石墨结构转变），而二元催化剂对石墨化的削弱作用更为显著。Na?CO?的加入则促进了芳香骨架中桥键及脂肪族 C–H 键的断裂，这一过程有利于提升煤焦的反应活性位点数量。
元素分布特征
FIB-SEM-EDS 联用技术揭示，单一 Na 基催化剂负载的煤焦表面存在 Na 元素团聚现象，一定程度上抑制了催化效果；而 K-Na 二元催化剂实现了 K 与 Na 的更均匀分布，避免了因团聚导致的活性位点遮蔽，从而优化了催化性能。
研究表明，K/Na 二元催化剂在 CO?气化反应中表现出优于单一 K?CO?催化剂的性能，显著提升了煤焦的气化反应活性。850℃下反应 8 分钟时，二元催化剂组的碳转化率显著高于单一催化剂组。其作用机制包括：通过电子转移削弱煤焦表面化学键，抑制石墨化以维持高反应活性结构，促进桥键与脂肪族 C–H 键断裂以增加反应位点，以及通过二元组分协同效应实现元素均匀分布。该研究不仅深化了对碱金属催化剂作用机制的认识，也为开发高效多组分催化剂、优化煤气化工艺参数提供了实验依据，对推动煤炭清洁高效利用、降低碳排放及提升能源利用效率具有重要意义。
