硼基催化剂与预处理协同增效：能源作物与污泥共气化制氢技术突破

本研究针对生物质气化制氢过程中焦油抑制和效率低下的核心问题，创新性地采用硼负载碱金属催化剂（CaO），通过水热碳化（HTC）预处理巨芒草与市政污泥，结合Box-Behnken设计优化气化参数（900°C、10%硼含量、生物质/催化剂比0.65），实现产气中62.88%的H2浓度，为低成本高效制氢及废弃物资源化提供新策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而，传统生物质气化技术面临两大瓶颈：一是原料特性差异导致产气品质不稳定，二是焦油副产物严重制约商业化应用。巨芒草（Miscanthus×giganteus）虽具有高光合效率、耐旱等优势，但其高挥发分和低能量密度影响气化效率；市政污泥虽富含有机质，但重金属（HMs）和水分含量使其处理困难。更棘手的是，现有镍基（Ni）等催化剂成本高昂，而廉价CaO催化剂又存在焦油转化率不足的问题。

针对这些挑战，土耳其硼矿储量全球第一的产业优势激发了研究团队的新思路——能否利用硼的空p轨道强路易斯酸特性，与CaO协同提升催化性能？Ege University（土耳其爱琴大学）的研究人员开展了开创性研究，首次将硼负载碱金属催化剂应用于巨芒草-污泥共气化体系，通过系统优化使氢气产率突破62.88%，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究团队采用三阶段技术路线：首先通过水热碳化（HTC）和热解两种预处理提升原料均质性；其次开发Na₂B₄O₇·5H₂O与CaO复合催化剂；最后运用Box-Behnken实验设计，分析温度、硼含量、生物质/催化剂比三因素对H₂产率的影响。实验样本包括爱琴大学提供的巨芒草和IZSU污水处理厂污泥，严格遵循EN系列标准进行表征。

【材料表征】
原料分析显示污泥灰分（28.6%）显著高于巨芒草（4.8%），但HTC预处理使两者固定碳含量提升40%以上，证实预处理可改善原料适用性。

【催化性能】
硼的引入形成B₂O₃活性位点，与CaO协同促进焦油裂解。在900°C时，10%硼含量使焦油转化率较传统CaO提升2.3倍，且抑制了K元素流失导致的CO₂副产物生成。

【参数优化】
响应面模型确定最佳条件为900°C、10%硼负载、生物质/催化剂比0.65，此时H₂浓度达62.88vol%，较非催化气化提高158%。

【讨论与结论】
该研究实现了三重创新：一是首次验证硼-碱金属协同催化机制，通过B₂O₃阻断焦油再生路径；二是建立HTC预处理-硼催化气化技术链，使废弃物氢气产率超越传统生物质；三是开发低成本催化剂（成本仅为镍基的1/5）。Fikret Muge Alptekin等学者指出，该技术不仅为土耳其硼资源高值化利用开辟新途径，更通过"以废制氢"模式推动循环经济发展。未来研究可进一步探索硼催化剂抗积碳机制及其在流化床气化中的放大效应。