锶改性LaNi0.8Fe0.2O3钙钛矿催化剂对煤竹共热解焦油的协同催化裂解效应研究

针对煤焦油重质组分易导致管道堵塞及腐蚀问题，研究人员通过锶掺杂改性LaNi0.8Fe0.2O3钙钛矿催化剂（ABO3结构），探究其对临汾煤（LFC）与竹屑（BBSD）共热解焦油的协同催化作用。结果表明，Sr掺杂比为0.3时催化效果最佳，合成气产率达33.9 mmol/gmixture（H2/CO=3.98），焦油含量降至4%，为碳基燃料资源化利用提供了新策略。

　　

论文解读

煤炭资源的高效清洁利用一直是中国工业发展的核心议题，但传统煤热解技术面临严峻挑战——产生的焦油中重质组分含量高，不仅容易在管道中冷凝堵塞，还会引发设备腐蚀问题。更棘手的是，单纯依靠煤与生物质共热解虽能部分改善焦油品质，但对重质焦油的升级效果有限。如何通过催化手段实现焦油高效转化，成为破解这一技术瓶颈的关键。

针对这一难题，中央高校基本科研业务费专项资金（项目号2020QN07）和徐州市科技计划（项目号KC23356）支持的研究团队，在《Biomass and Bioenergy》发表了创新性成果。研究人员设计了一系列锶（Sr）掺杂改性的LaNi_0.8Fe_0.2O₃钙钛矿催化剂（化学通式ABO₃，A位为稀土/碱金属，B位为过渡金属），系统探究其对临汾煤（LFC）与竹屑（BBSD）共热解焦油的协同催化裂解效应。

关键技术方法

研究采用Pechini溶胶-凝胶法制备不同Sr掺杂比的La_1-xSr_xNi_0.8Fe_0.2O₃催化剂；通过X射线光电子能谱（XPS）分析活性氧物种，NH₃-程序升温脱附（NH₃-TPD）测定酸碱位点，N₂吸脱附（BET）表征孔结构；结合O₂-程序升温氧化（O₂-TPO）和热重分析（TGA）评估催化剂抗积碳性能。

研究结果

1. 催化性能
在900°C条件下，钙钛矿催化剂与LFC/BBSD共热解挥发分表现出显著协同效应。Sr掺杂比为0.3时效果最优：合成气产率达33.9 mmol/g_mixture（H₂/CO=3.98），焦油含量最低（4%），较空白组（13%）降低69%。催化剂通过促进酯化反应和富氢气体生成，实现焦油高效转化。

2. 构效关系
XPS证实Sr掺杂增加表面活性氧物种（O_α）浓度；NH₃-TPD显示中强酸位点主导催化过程；BET表明介孔结构（孔径2-50 nm）的空间限域效应促进大分子裂解。Sr²⁺（离子半径1.18 ?）部分取代La³⁺（1.03 ?）形成的晶格畸变，是提升氧空位浓度的关键。

3. 稳定性分析
XRD显示催化剂在高温下保持钙钛矿特征峰；TEM观察到均匀的纳米颗粒分布；O₂-TPO证实积碳量仅10.9%，优于传统沸石催化剂。

结论与意义

该研究首次揭示了Sr改性钙钛矿与煤/生物质共热解挥发分的协同催化机制：金属活性位点（Ni/Fe）、酸碱协同、活性氧物种及孔道限域效应共同作用，促进焦油大分子定向转化为高附加值合成气。相比贵金属催化剂（Pt/Pd/Ru）和沸石分子筛（ZSM-5），这种碱性土金属改性钙钛矿兼具成本优势与抗积碳性能，为碳基燃料清洁转化提供了工业化应用新思路。论文通讯作者Peitao Zhao团队强调，未来可通过调控A/B位双掺杂比例进一步优化催化剂在复杂热解体系中的适应性。