钾钛酸盐改性铁基载氧体在煤直接化学链燃烧中的性能提升机制与钾固定效应研究

为解决化学链燃烧(CLC)中铁基载氧体(OC)反应活性不足及钾流失导致的循环稳定性下降问题，研究人员通过合成钾钛酸盐(K2Ti6O13)改性Fe2O3载氧体，在固定床反应器中以准东煤焦为燃料开展实验。结果表明，40%钾添加量使碳转化率提升至50%，多循环测试达84%，钾钛酸盐通过Fe3+/Ti4+离子交换形成氧空位增强活性，并有效固定钾元素。该研究为CLC技术工业化应用提供了新型高效载氧体设计策略。

　　

全球气候变暖的加速使CO₂减排技术成为研究热点，其中化学链燃烧(CLC)因其内分离CO₂的特性被视为最具潜力的碳捕获技术。铁基载氧体(oxygen carrier, OC)虽成本低廉且环境友好，但存在反应速率慢、循环稳定性差的瓶颈。更棘手的是，传统钾改性虽能提升活性，钾元素的高温挥发却导致性能快速衰减——例如前期研究显示K₂CO₃改性Fe₂O₃/ZrO₂在第10次循环时钾含量下降达三分之二。如何兼顾高活性与钾固定，成为推进CLC技术工业化的关键难题。

安徽理工大学现代煤加工技术研究所的研究团队独辟蹊径，选择具有隧道状结构的钾钛酸盐(K₂Ti₆O₁₃)作为钾源和载体，通过高温煅烧法制备新型改性铁基载氧体，系统考察其在准东煤焦直接化学链燃烧(CDCL)中的性能表现。研究采用热重分析(TG)和差示热重(DTG)解析还原过程动力学，结合固定床反应器多循环实验评估碳转化效率，并运用FactSage软件模拟不同工况下钾元素迁移形态。

材料与方法
研究以准东煤焦为燃料，通过高温煅烧法制备K₂Ti₆O₁₃改性Fe₂O₃载氧体，在固定床反应器中开展多循环CDCL实验。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征材料结构，通过FactSage 7.2模拟计算不同温度、Fe₂O₃/C摩尔比及还原程度下的钾赋存形态。

载氧体还原过程分析
TG曲线显示，K₂Ti₆O₁₃改性使载氧体总失重率从纯Fe₂O₃的14.4%提升至18.5%，DTG峰值温度降低约50°C，表明钾钛酸盐显著促进还原反应动力学。值得注意的是，20%-40%钾添加量的样品均呈现双峰特征，暗示Fe³⁺→Fe²⁺的阶梯式还原过程被加速。

碳转化性能提升机制
在950°C反应温度下，40%钾添加量使单次循环碳转化率突破50%，较未改性样品提升2.3倍。多循环测试中，改性载氧体展现"活化效应"——第5循环时转化率升至84%，远高于首循环的62%。XRD精修证实，Fe³⁺与Ti⁴⁺的离子交换引发晶格畸变，产生大量氧空位，这种结构缺陷成为提升反应活性的关键。

钾固定效应验证
经历10次氧化还原循环后，改性载氧体钾保留率高达92%，而传统K₂CO₃改性体系同期损失率达67%。FactSage模拟揭示，在典型CDCL工况(Fe₂O₃/C=1:1，950°C)下，钾主要以K₂TiO₃稳定相存在，其吉布斯自由能较K₂O降低约58 kJ/mol，从热力学角度解释了钾钛酸盐的固定优势。

该研究通过"结构固定-活性调控"双功能设计，成功实现铁基载氧体性能的突破。K₂Ti₆O₁₃的隧道结构不仅为钾元素提供刚性骨架，其与Fe₂O₃的界面相互作用更创造出丰富的活性位点。这种"一石二鸟"的策略，为发展低成本、长寿命的CLC系统提供了新思路，相关成果发表于《Chinese Journal of Chemical Engineering》。从工程应用角度看，研究揭示的"钾钛酸盐-铁氧化物"协同机制，可延伸至其他碱金属催化体系，对开发新一代能源转化催化剂具有普适指导意义。