镍掺杂钙铁氧体(NiX-Ca2Fe2O5)催化农业编织袋与玉米芯化学链蒸汽共气化制富氢合成气的实验研究

为解决农业废弃物与塑料资源化利用及高效制氢的技术瓶颈，研究人员采用NiX-Ca2Fe2O5钙钛矿催化剂，开展化学链蒸汽共气化研究。结果表明，750°C、66 wt%农业编织袋(AWB)混合比例下，合成气与H2产率分别提升22.8%和21%，15 wt%镍掺杂催化剂使H2产量达1762.4 ml/g，甲烷含量降低7.5%，为废弃生物质与塑料协同制氢提供了理论和技术支撑。

　　

全球化石能源危机与环境压力迫使人类寻找绿色替代方案。氢能因其142 MJ/kg的高能量密度和零碳排放特性成为焦点，但传统生物质气化存在H₂产率低（<45%）和焦油生成的技术瓶颈。更棘手的是，每年320万吨废弃农业编织袋（AWB）因含聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）难以降解，焚烧又会产生二噁英和PM_2.5。有趣的是，这些“环境杀手”在高温蒸汽下裂解产生的C₃-C₅短链烃，恰能与生物质气化的H₂O/CO₂形成理想水碳比（S/C=2.1-2.5），通过水煤气变换和甲烷重整反应高效制氢。河南理工大学团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地将玉米芯（CC）与AWB共气化，并设计Ni_X-Ca₂Fe₂O₅钙钛矿催化剂，实现了废弃物增值与氢能生产的双赢。

研究采用固定床反应器实验结合TG-DTG热重分析，系统考察了温度、混合比例、气氛及镍掺杂量的影响。通过气相产物表征和焦油裂解效率测试，揭示了协同作用机制。关键发现如下：

Synergy effect of co-pyrolysis
热重分析显示，CC在177-397°C失重64.7%，对应纤维素/半纤维素分解；AWB在300-450°C释放62-75%短链烃。共热解时，AWB的烃类物质与CC的含氧挥发分发生交叉反应，使最大失重速率温度降低28°C，证实协同效应。

Optimal gasification conditions
750°C、AWB占比66%时协同效应最强，合成气与H₂产率分别提升22.8%和21%。蒸汽气氛（S/B=2）促进焦油重整，H₂产量达1113.4 ml/g；CO₂则通过布杜阿尔反应提升CO生成。

Catalyst performance
15 wt%镍掺杂的Ni-Ca₂Fe₂O₅催化剂因氧空位调控和金属-载体强相互作用，使H₂产量飙升至1762.4 ml/g（提升40.1%），甲烷含量降低7.5%，焦油裂解效率显著增强。

该研究不仅验证了AWB与CC共气化的“碳氢互补”机制，更通过钙钛矿催化剂设计解决了焦油与积碳难题。镍掺杂优化了Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环，CaO组分则捕获CO₂促进反应平衡右移。这一成果为“绿氢”生产提供了废弃生物质/塑料协同处置的新范式，兼具环境效益与能源价值。未来研究可进一步探索催化剂循环稳定性及工业化放大参数，推动农业废弃物能源化技术的实际应用。