磁铁矿添加对纤维素微波热解制合成气的增效机制与循环利用研究

本研究针对生物质传统热解制合成气(Syngas, H2 +CO)过程中存在的热传递效率低、能耗高等问题，创新性地采用磁铁矿(Fe3 O4 )作为微波吸收剂(MWH)，系统探究了磁铁矿-纤维素配比、循环次数对合成气产率的影响。研究发现，当质量比为1:1时合成气产率达19.1 mmol/g-纤维素，相当于传统加热1000°C的效果，且通过蒸汽氧化再生可恢复磁铁矿活性。该研究为生物质能源高效转化提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，如何将可再生生物质高效转化为清洁能源载体成为研究热点。合成气(Syngas, H₂
+CO)作为可转化为乙醇、氨等化学品的关键平台分子，其生产过程中传统加热方式(CH)存在热损失大、反应器壁损伤等问题。虽然微波加热(MWH)能实现选择性加热，但生物质本身介电损耗因子(tanδ)低导致升温困难，亟需开发高效微波吸收剂(又称"敏化剂")。磁铁矿(Fe₃
O₄
)因其高介电损耗特性被寄予厚望，但其在高温下的还原失活机制及循环利用方案尚未明确。

日本京都大学的研究团队在《Fuel》发表的研究中，通过系统考察磁铁矿-纤维素配比、微波加热参数及再生工艺，揭示了磁铁矿促进合成气生产的双重机制：一方面通过内部加热提升能量效率，另一方面表面氧空位促进CO₂
还原为CO。研究采用微波反应器(800°C)对比传统管式炉，利用气相色谱(GC)分析产物组成，并通过X射线衍射追踪磁铁矿物相转变。

材料与方法
选用38μm纤维素粉末(44.4wt%C)与1μm磁铁矿(>98%纯度)按不同质量比(0.1-1.0)混合，在800°C下进行微波热解。通过质量平衡计算产率，采用蒸汽氧化处理再生使用后的铁基产物，对比循环实验中的合成气产率变化。

研究结果

1. 磁铁矿-纤维素配比效应：当质量比从0增至1.0时，合成气产率提升至19.1 mmol/g-纤维素，较无磁铁矿组提高40%。最佳配比下MWH800的产率相当于CH1000水平，但能耗降低20%。

2. 循环稳定性分析：重复使用导致磁铁矿还原为金属铁，使第5次循环时产率下降40%。蒸汽氧化处理成功将Fe⁰
   再生为Fe₃
   O₄
   ，使再生组产率恢复至初次循环的95%。

3. 能量效率比较：MWH800的能量效率达68%，显著高于CH800(52%)和CH1000(58%)，证实微波内部加热的优势。

结论与意义
该研究首次阐明磁铁矿在生物质微波热解中的"敏化-催化"协同机制：其高tanδ特性实现快速升温，表面氧空位促进碳氧键断裂。提出的蒸汽氧化再生方案破解了敏化剂循环利用难题，使工业化连续生产成为可能。成果为生物质能源高值化利用提供了兼具高效性和经济性的技术路径，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。