《Renewable Energy》：Development of Multifunctional Ni/CaO-Al2O3 Pellet for Hydrogen Production from Sorption-Enhanced Steam Reforming of Simulated Biogas
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塔利塔·尼马斯（Talita Nimmas）|帕维努奇·南塔蓬（Paveenuch Nantapong）|苏维莫尔·旺萨库尔帕萨奇（Suwimol Wongsakulphasatch）|梅里卡·昌塔努马塔蓬（Merika Chanthanumataporn）|萨孔·拉查哈特（Sa
塔利塔·尼马斯（Talita Nimmas）|帕维努奇·南塔蓬（Paveenuch Nantapong）|苏维莫尔·旺萨库尔帕萨奇（Suwimol Wongsakulphasatch）|梅里卡·昌塔努马塔蓬（Merika Chanthanumataporn）|萨孔·拉查哈特（Sakhon Ratchahat）|陈奎成（Chin Kui Cheng）|苏提查伊·阿萨布姆伦格拉特（Suttichai Assabumrungrat）|奥拉夫·欣里奇森（Olaf Hinrichsen）
生物循环绿色经济技术与工程中心（BCGeTEC）以及催化与催化反应工程卓越中心，化学工程系，朱拉隆功大学工程学院，曼谷10330，泰国
摘要
成功开发了一种多功能材料Ni/CaO-Al2O3的颗粒形式，用于通过吸附增强型蒸汽重整生物气来实际生产氢气。该颗粒具有机械强度，但存在扩散限制，在650°C和1巴的压力下氢气纯度降至80%。为了提高性能，引入了CeO2和MgO作为促进剂。经过Ce改性的颗粒（Ni-Ce/CaO-Al2O3）表现出更好的性能，因为其具有更大的表面积、更好的Ni分散性和氧空位。在CO2富集条件下（CH4/CO2 = 60/40% v/v），它们保持了稳定的氢气纯度（77% v/v），并且在最佳S/C比为2时实现了高纯度，与S/C = 3相比能耗降低了约28%。经过20次循环的长期稳定性测试，氢气纯度仅从77%下降到72%，而CO、CH4或CO2没有显著变化，表明其具有很强的抗失活能力。
引言
人类活动的快速增长通过增加温室气体排放加剧了气候危机。因此，将温室气体转化为氢气（H2）引起了广泛关注，因为氢气是一种清洁的能源载体，具有广泛的应用，包括作为化学品和肥料的原料、燃料，以及钢铁制造和石化等工业过程的原料[1]，[2]。
蒸汽重整（SR）是一种成熟的商业技术，效率高达70–85%[3]，但它需要后续的CO2分离。吸附增强型蒸汽重整（SE-SR）通过将重整过程与原位CO2捕获相结合，提高了氢气的产量。吸附增强型蒸汽重整通常使用催化剂和CO2吸附剂，已有大量研究致力于开发同时具备这两种功能的多功能材料[4]，[5]，[6]，[7]。例如，基于NiO-CaO的双功能材料已被用于吸附增强型蒸汽甲烷重整（SE-SMR），研究重点在于合成方法[4]、CaO含量[5]、Ni负载量[6]以及CaO/Al2O3质量比的影响[7]。Capa等人[8]报道了使用Pd/Ni-Co作为催化剂和白云石作为CO2吸附剂的材料在生物气SE-SR中的应用，而Dang等人[9]展示了Pd/Ni-CaO-mayenite的效果。此外，Elsaka等人[10]还展示了这种多功能材料在生物油SE-SR中的应用。他们的研究表明，Ni-CaO-UpGraded Slug Oxides和CeO2改性的Ni-CaO-UpGraded Slug Oxides材料可以产生高纯度的氢气。
尽管在开发用于SE-SR的多功能材料方面取得了显著进展，但文献中报道的大多数成果都是粉末形式，这种形式更适合实验室规模的操作。为了应用于大规模生产，需要颗粒形式的材料。最近的研究尝试开发用于SE-SR的颗粒化材料，如表S1所总结的，但仍存在重要限制。具体来说，专注于开发在生物气相关条件下同时具备催化和CO2吸附功能的一体化多功能颗粒的工作还有限。此外，对于实际固定床操作至关重要的机械强度尚未进行评估。因此，本研究重点开发并在生物气相关条件下应用颗粒化的多功能材料进行SE-SR。研究首先使用粉末形式的NiO/CaO–Al2O3多功能材料确定合适的CO2浓度，以建立基线性能并了解吸附和重整行为。基于这些结果，评估了添加或不添加CeO2或MgO促进剂的颗粒化多功能材料。研究重点关注催化和吸附性能以及机械强度，以满足实际固定床操作的关键要求。除了实际应用价值外，这项工作还通过展示甲烷和二氧化碳这两种核心单碳分子可以通过一体化的多功能颗粒中的催化和CO2吸附作用有效用于氢气生产，推动了C1化学领域的发展。
章节片段
多功能NiO/CaO-Al2O3粉末的制备
NiO/CaO-Al2O3粉末作为制备颗粒形式的基准材料。通过溶胶-凝胶法合成了含有15 wt%镍且CaO/Al2O3重量比为70/30的粉末，在SE-SMR条件下提供了催化活性和稳定性的平衡组合[11]。NiO/CaO-Al2O3粉末的合成方法在补充信息中有所描述。
多功能Ni/CaO-Al2O3颗粒及改性NiO/CaO-Al2O3颗粒的制备
制备了含有15 wt%镍且CaO/Al2O3比为70/30的圆柱形NiO/CaO–Al2O3颗粒；提供了合成细节和尺寸信息
通过XRD图谱（图1）确定粉末的成分和相态，显示出NiO（ICDD: 00-047-1049）、Ca(OH)2（ICDD 00–044-1481）和Ca5Al6O14（ICDD: 00-011-0357）的晶体峰。NiO峰的存在表明多功能材料已成功负载了NiO。谢勒方程计算出NiO（111）晶粒尺寸为30 nm（表1）。由于CaO的吸湿性，存在Ca(OH)2而不是CaO[12]。
结论
本研究系统地研究了在生物气条件下通过SE-SR生产氢气的多功能Ni基CaO–Al2O3颗粒。虽然粉末材料表现出高氢气纯度和CH4转化率，但可扩展性有限。颗粒化提高了机械强度，但略微降低了与扩散相关的活性。CeO2和MgO促进剂增强了表面积、Ni分散性，并提高了抗烧结和碳沉积的能力。在经过促进剂改性的颗粒中，NiO-CeO2/CaO-Al2O3颗粒表现最佳
萨孔·拉查哈特（Sakhon Ratchahat）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。陈奎成（Chin Kui Cheng）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。苏提查伊·阿萨布姆伦格拉特（Suttichai Assabumrungrat）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源提供。奥拉夫·欣里奇森（Olaf Hinrichsen）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督。塔利塔·尼马斯（Talita Nimmas）：撰写 – 原初草稿、方法论、实验研究、数据分析。帕维努奇·南塔蓬（Paveenuch Nantapong）：撰写 – 原初草稿、方法论、实验研究、数据分析
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：苏维莫尔·旺萨库尔帕萨奇（Suwimol Wongsakulphasatch）表示获得了泰国国家研究委员会（NRCT）（N42A650319）的财务支持；苏维莫尔·旺萨库尔帕萨奇还获得了曼谷皇家蒙固技术大学（King Mongkut’s University of Technology North Bangkok）的财务支持；苏提查伊·阿萨布姆伦格拉特表示获得了相关机构的财务支持
