镍含量对Ni/PrOx催化剂在生物质与废塑料共热解制富氢气体中的效率影响机制研究

本研究针对化石燃料枯竭和塑料污染问题，创新性地开发了Ni/PrOx催化剂体系，通过生物质与废塑料共热解实现高效制氢。研究发现5%Ni/PrOx催化剂因优异的还原性、氧空位生成能力及抗积碳性能，氢气产率达16 mmol/g纤维素，较传统ZrO2/Al2O3载体提升20%以上，为废弃物资源化提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧和塑料污染问题日益严峻，如何将废弃生物质和塑料转化为清洁能源成为研究热点。氢能因其高热值和零碳排放特性被视为理想能源载体，但传统制氢方法效率低下且依赖化石燃料。生物质与塑料共热解技术虽能同时解决废弃物处理和能源生产问题，但现有催化剂存在活性不足、易积碳失活等瓶颈。

为突破这一技术壁垒，国内研究人员在《Catalysis Today》发表论文，系统研究了镍负载量（2%-20%）对PrO_x载体催化剂性能的影响。通过对比传统ZrO₂和Al₂O₃载体，发现PrO_x因其独特的氧迁移能力和结构稳定性，可显著提升催化效率。研究采用N₂吸附、O₂-TPD、H₂-TPR、XRD、HAADF-STEM、XPS和拉曼光谱等技术，结合纤维素/云杉/LDPE的催化热解实验，揭示了催化剂结构与性能的构效关系。

3.1 催化性能
5%Ni/PrO_x展现出最优性能，氢气产率达16 mmol/g纤维素，比非催化反应提升8倍。其CO₂选择性显著高于参比催化剂，归因于PrO_x载体促进的深度还原特性。生物质-塑料共热解时，氢产率进一步提升，证实塑料的H/C比提升效应。

3.2 新鲜/还原催化剂表征
O₂-TPD显示5%Ni/PrO_x具有最高氧空位浓度（2652 μmol/g），对应PrO_1.54亚化学计量结构。XRD证实还原后形成Pr₂O₃/Pr(OH)₃混合相，且无金属镍相分离。XPS发现5%和10%Ni催化剂表面Ni/(Ni+Pr)比最接近体相值，表明均匀的原子级分散。TEM显示5%Ni/PrO_x还原后镍粒径仅10.2±3.5 nm。

3.3 废催化剂分析
拉曼光谱证实5%Ni/PrO_x积碳的I_D/I_G比最低（1.05），表明其碳沉积无序度最高而易被氧化。XPS定量显示其积碳量（ΔC=25.76%）显著低于20%Ni催化剂（32.90%），与催化活性趋势一致。

该研究创新性地阐明：PrO_x载体通过形成PrO_2-δ非化学计量相，实现体相氧迁移与表面镍物种的协同作用。5%镍负载量恰能平衡金属-载体相互作用与活性位点暴露，其独特的Pr₂O₃/Ni固溶体结构在反应中动态生成氧空位，既促进C-C键断裂又抑制石墨化积碳。相比传统载体，PrO_x将氢产率提升20%以上，为设计高效抗积碳催化剂提供了新思路，对推进废弃物能源化技术产业化具有重要指导意义。