农业废弃物衍生生物炭负载Fe基催化剂高效催化CO/CO2加氢制高值烃类燃料

本研究针对CO/CO2加氢转化效率低、产物选择性差等问题，开发了玉米芯生物炭负载Fe-Co-K-Zn催化剂（ZFCK@C）。在340°C、20-30 bar条件下，该催化剂实现CO转化率97%（C5+选择性32%）、CO2转化率40%（C5+选择性45%），且100小时稳定性优异。创新性采用农业废弃物衍生生物炭替代商业活性炭，为碳减排和可再生能源生产提供了绿色解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，如何高效转化温室气体CO₂和有毒气体CO成为能源化工领域的重大挑战。传统催化剂存在活性低、产物选择性差等问题，且商业活性炭载体成本高昂。更棘手的是，CO₂分子中稳定的C=O键（键能高达750 kJ/mol）使其转化需要苛刻条件，而现有技术难以兼顾高转化率与长链烃选择性。

针对这些瓶颈，来自埃及的研究团队在《Carbon Trends》发表了一项突破性研究。他们创新性地将农业废弃物玉米芯转化为多孔生物炭，并以其为载体构建了Zn修饰的Fe-Co-K催化剂体系。这种"变废为宝"的设计既降低了成本，又通过独特的孔隙结构提升了催化性能。

研究采用超声辅助溶解-初湿浸渍法制备催化剂，通过固定床反应器（1英寸直径，430 cm³容积）在模拟工业条件下测试性能。表征手段涵盖FTIR、XRD、BET、H₂-TPR（氢气程序升温还原）、CO₂-TPD（二氧化碳程序升温脱附）、XPS和TEM等先进技术。

催化剂表征
生物炭载体展现出587 m²/g的超高比表面积，较商业活性炭（428 m²/g）提升37%。Zn的引入使Fe₂O₃还原温度从560°C降至502°C，XPS证实Zn²⁺与Fe物种的电子相互作用增强了活性。TEM显示催化剂具有0.55 nm均匀孔径和34 nm平均粒径，EDS图谱证实元素均匀分布。

CO加氢性能
在340°C、20 bar条件下，ZFCK@C实现97%的CO转化率，C₅₊烃类选择性达32%，汽油馏分（C₅-C₁₂）占比45.3%。特别值得注意的是，其烯烃/烷烃比（O/P）高达4.0，显著优于无Zn催化剂（2.3）。

CO₂加氢性能
压力升至30 bar时，CO₂转化率达到40%，C₅₊选择性提升至45%，同时CH₄选择性控制在6.1%。产物中煤油馏分（C₆-C₁₆）占比45.3%，O/P比维持在3.2。机理研究表明，生物炭通过促进CO₂吸附和C-O键断裂，协同催化RWGS（逆水煤气变换）和FTS（费托合成）两步反应。

稳定性测试
100小时连续实验显示，催化剂各项指标波动小于1%，XRD未检测到活性组分烧结，TEM观察到的粒径增长仅从12.5 nm至30.1 nm，证实其工业应用潜力。

这项研究的意义在于：首次证实农业废弃物衍生生物炭可替代商业活性炭用于工业级CO_x加氢；创制的Zn-Fe-Co-K催化剂在转化率、选择性和稳定性三项关键指标上均达领先水平；提出的"碳循环-能源生产"协同模式，为碳中和目标提供了可规模化的技术路径。尤其值得关注的是，该工艺每处理1吨玉米芯可制备约200 kg生物炭，同时转化3.5吨CO₂当量，兼具环境与经济效益。