K+ 改性水泥熟料催化生物质气化制氢机制：高效低成本氢能生产新策略

为解决传统制氢技术依赖化石燃料及生物质气化中H2 产率低的问题，研究人员开发了K+ 改性水泥熟料（K/Cm）催化剂，通过FTIR、XRD、BET等技术表征，发现15 wt% K/Cm在900°C下使H2 产率提升240%（47.2 g/kg），揭示了K2 Ca(CO3 )2 与Ca(OH)2 的协同催化机制，为绿色氢能规模化提供经济方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其零碳排放和高能量密度被视为替代化石燃料的理想选择。然而，当前主流电解水制氢技术仍严重依赖化石能源，而生物质气化虽能利用可再生资源，却面临H₂
产率低（通常<20%）、催化剂成本高等瓶颈。尤其值得注意的是，传统催化剂如镍基或贵金属材料价格昂贵，而天然矿石催化剂（如橄榄石、白云石）虽成本较低，但需高温煅烧预处理，工艺复杂。如何开发兼具高效性、稳定性和经济性的催化剂，成为推动生物质制氢技术工业化的关键挑战。

针对这一问题，中国某研究机构团队在《Fuel Processing Technology》发表研究，创新性地利用水泥熟料（Cm）这一富含CaO、SiO₂
的工业副产品作为载体，通过K⁺
改性制备出K/Cm催化剂。研究显示，该催化剂在最优条件下（15 wt% K⁺
负载、900°C、生物质/催化剂质量比5:2）使H₂
产率飙升至47.2 g/kg，较无催化剂体系提升240%，且H₂
浓度达55.85%，性能优于文献报道的镍-钢渣（31.69 g/kg）和La_0.8
Ce_0.2
FeO₃
/白云石（54.2 g/kg）等催化剂。更引人注目的是，水泥熟料价格仅40-50美元/吨，远低于镁橄榄石（110-170美元/吨），且无需预煅烧，大幅降低了生产成本。

关键技术方法
研究采用浸渍法制备不同K⁺
负载量（5-20 wt%）的K/Cm催化剂，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团，X射线衍射（XRD）鉴定晶体结构，氮气吸附-脱附（BET）测定比表面积和孔隙率，扫描电镜（SEM）观察形貌，X射线光电子能谱（XPS）表征元素化学态。气化实验在鼓泡床反应器中进行，以甘蔗渣为原料，考察温度（600-900°C）、K⁺
浓度和生物质/催化剂比例对产气组成的影响，并通过气相分析仪实时监测H₂
、CO、CH₄
等气体浓度。

研究结果

3.1 催化剂表征

• FTIR分析：3645 cm^?1
  处Ca(OH)₂
  的O-H伸缩振动峰强度随K⁺
  负载量增加而增强，1410-1425 cm^?1
  处K₂
  Ca(CO₃
  )₂
  特征峰证实K⁺
  成功引入。
• BET与SEM：15 wt% K/Cm比表面积达3.6755 m²
  /g，是纯Cm的6.67倍，且表面形成大量大孔结构（图3-4）。SEM显示K元素均匀分散，催化剂-生物炭接触面积增大。
• XPS机制：15 wt% K/Cm的O_ad
  /O_la
  （吸附氧/晶格氧）比值最高（图12-13），表明其氧迁移能力增强，促进氧化还原循环。

3.2 气化条件优化

• 温度效应：900°C时H₂
  产率最高，CH₄
  浓度降至17.86%（图5），高温促进吸热的甲烷重整反应（CH₄

• H₂
  O → CO + 3H₂
  ）。

• K⁺
  浓度：15 wt% K⁺
  时H₂
  产率达峰值，过量K⁺
  （20 wt%）会覆盖活性位点（图6）。
• 协同机制：K₂
  Ca(CO₃
  )₂
  通过反应（K₂
  CO₃

• 2C → 2K + 3CO）生成活性K，而Ca(OH)₂
  吸附CO₂
  推动水煤气变换反应（CO + H₂
  O → CO₂
• H₂
  ），二者协同提升H₂
  产率（图16）。

结论与意义
该研究首次阐明K⁺
-水泥熟料催化生物质气化的多级反应机制：K₂
Ca(CO₃
)₂
促进生物质解聚和C-O键断裂，Ca(OH)₂
通过CO₂
捕获-释放循环（CaO ? CaCO₃
）增强H₂
选择性。相较于传统催化剂，K/Cm不仅成本降低50%以上，且制备工艺简单（无需煅烧），其工业化应用可推动生物质废料向氢能的高效转化。未来研究可进一步探索催化剂再生性能及实际生物质原料（如农林废弃物）的适应性，为"双碳"目标提供技术支撑。