钙掺杂La-Fe基钙钛矿催化剂促进纤维素与木质素生物质CO2 气化增效机制研究

针对生物质CO2 气化中碳转化效率低、焦油副产物多的问题，研究人员通过钙掺杂La-Fe基钙钛矿催化剂（La1-x Cax FeO3 ）调控氧空位与Fe价态，显著提升纤维素（稻草）和木质素（椰壳）气化性能。最优催化剂L6C4FO使合成气产量最高达非催化体系的3.66倍（938.03 mL/g），并揭示钙掺杂浓度依赖的电荷补偿机制，为生物质低碳转化提供新策略。

　　

随着全球能源需求增长与碳排放问题加剧，生物质CO₂
气化技术因其“碳负排放”特性成为研究热点。然而，传统气化过程存在焦油副产物多、碳转化效率低等瓶颈，亟需开发高效催化剂。钙钛矿材料（perovskite）因其结构可调性备受关注，但LaFeO₃
催化剂表面碱性位点不足，限制其对CO₂
的吸附活化能力。为此，来自中国的研究团队通过钙（Ca）掺杂La-Fe基钙钛矿，系统探究了其对纤维素（稻草ST）和木质素（椰壳CS）两类生物质气化的差异化催化机制，成果发表于《Journal of the Energy Institute》。

研究采用溶胶-凝胶法（sol-gel）合成La_1-x
Ca_x
FeO₃
系列催化剂，结合固定床反应器评估气化性能，并利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）等技术表征材料性质。

CO₂
催化气化性能差异
实验发现，Ca掺杂显著提升气化效率。对于稻草（ST），最优催化剂L6C4FO（Ca掺杂40%）使合成气总产率达699.62 mL/g，是非催化体系的1.81倍；而对椰壳（CS）提升更显著（938.03 mL/g，3.66倍）。差异源于木质素芳环结构更依赖催化剂活化CO₂
的能力。

结构演化与补偿机制
XPS和拉曼光谱（Raman）揭示两种补偿机制：当Ca掺杂<40%时，氧空位（oxygen vacancy）主导电荷补偿，促进CO₂
解离；而高掺杂（>40%）时，Fe价态升高（Fe³⁺
→Fe⁴⁺
）成为主要机制，但氧空位生成受限。

表面碱性增强
热重分析（TG）表明Ca掺杂显著提升催化剂表面碱性，强化CO₂
吸附。循环实验证实L6C4FO稳定性优异，5次循环后活性仅下降4.3%。

该研究不仅阐明了钙掺杂浓度依赖的电荷补偿规律，还为生物质气化催化剂设计提供了新思路：通过精准调控A位掺杂，可协同优化氧空位与金属价态，实现纤维素/木质素气化的差异化增效。这一成果对推动生物质低碳转化技术工业化具有重要意义。