Ga-Ni改性HZSM-5@MCM-41核壳催化剂在小麦秸秆催化热解中的失活机制与再生性能研究

针对生物质催化热解中焦炭沉积导致的催化剂失活问题，研究人员通过碱处理、金属负载和核壳结构设计对HZSM-5进行复合改性，开发出M@3Ga-8Ni/AZ催化剂。实验表明，该催化剂在连续五次运行后仍保持67.46%芳烃选择性和84.44%活性指数，再生后性能恢复至98.46%，显著优于传统HZSM-5，为生物质高效转化提供了新型催化剂设计思路。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，小麦秸秆等农业废弃物因其可再生性和碳中性特征成为化石燃料的理想替代品。然而，传统露天焚烧处理方式不仅浪费资源，还造成严重环境污染。催化热解技术（CFP）可将生物质转化为高附加值化学品，但催化剂因焦炭沉积导致的快速失活成为制约该技术发展的主要瓶颈。在这一背景下，研究人员对HZSM-5分子筛催化剂进行系统性改造，试图突破这一技术难题。

为解决上述问题，来自中国的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表研究，通过碱处理（AZ）、双金属（Ga-Ni）改性和MCM-41核壳结构设计，构建了新型M@3Ga-8Ni/AZ催化剂。该研究采用螺旋式热解反应器连续运行实验，结合氧化再生系统和Py-GC/MS分析技术，系统评估了催化剂在五次循环使用中的性能演变规律。

关键技术方法包括：1）使用螺旋固定床反应器模拟工业连续操作条件；2）通过XRD、BET、SEM和NH₃-TPD表征催化剂理化性质；3）采用催化活性指数（Ac）定量评估失活与再生效率；4）基于200目小麦秸秆颗粒进行标准化热解实验。

催化剂表征结果
XRD分析显示，经过碱处理、金属负载和核壳结构构建的MU0催化剂仍保持MFI晶体结构，证明改性过程未破坏沸石骨架。BET测试表明MU0比表面积达412 m²/g，显著高于传统HZSM-5（HU0），这归因于MCM-41壳层创造的介孔结构。NH₃-TPD证实Ga-Ni双金属改性有效调变了酸位分布，中强酸比例提升至68.3%，有利于脱氧反应。

催化性能对比
在五次连续热解实验中，传统HZSM-5（HU0）的芳烃（AHs）选择性从47.59%骤降至16.24%，Ac值跌至45.45%。而MU0催化剂表现出卓越的稳定性，第五次运行时仍保持67.46% AHs选择性和84.44% Ac值。再生后性能恢复率更达98.46%，远高于HU0的96.71%。

失活机制分析
SEM图像显示HU0表面存在致密焦炭层，孔径从5.4 ?缩小至3.8 ?；而MU0仅在外壳发现分散碳颗粒，内核孔道保持通畅。这表明MCM-41壳层通过限制大分子焦炭前体进入内核，有效缓解了孔道堵塞。TPO测试进一步证实MU0的焦炭燃烧温度比HU0低42°C，说明其积碳更易被氧化清除。

讨论与意义
该研究创新性地将碱处理、双金属改性和核壳结构设计三种策略有机结合，解决了传统催化剂在连续操作中快速失活的关键问题。MU0催化剂表现出的高芳烃选择性和优异再生性能，主要得益于：1）Ga-Ni协同效应促进脱羧基反应；2）介孔外壳提升传质效率；3）优化的酸位分布抑制副反应。这些发现为生物质催化热解技术的工业化应用提供了重要理论支撑，特别在解决催化剂寿命这一工程难题方面具有突破性意义。研究团队提出的"失活-再生"定量评估体系，也为后续催化剂开发建立了标准化评价方法。