生物质是重要的可再生能源，其分布广泛，规模庞大，但由于其能量密度低，又分散，难以大规模集中处理，经常因燃烧处理带来环境污染等问题。利用生物质制氢技术不仅可以提高对农业废弃物的利用，亦可减少环境污染问题。目前，生物质制氢主要通过热化学法来实现，其中蒸汽气化被认为是一种很有前途的产生富 H₂ 合成气的方法。然而，在气化过程中产生大量可冷凝的焦油可能导致设备腐蚀和管道堵塞，最终导致气化效率降低。因此，在气化过程中加入催化剂已被证明是可以促进焦油裂解和提高 H₂ 产量的有效手段。此外，生物质中固有的无机矿物，如丰富的碱/碱土金属(AAEMs)，也可以促进生物质在气化反应过程中进行自催化生成富 H2 的合成气。但 AAEMs 对气化产气的影响以及不同金属之间相互作用的机制尚不明确。

近期，中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室研究人员针对焦油导致气化效率降低的问题，设计了Ni/CaO-Ca₁₂Al₁₄O₃₃系列催化剂并在催化剂的稳定性方面取得了进展。实验结果表明，Ni/Ca₃AlO催化剂具有良好的催化性能和优异的循环稳定性。初次反应时，合成气中氢气的产率和浓度为30.08 mmol/g_biomass和60.61 vol%，经过10次循环使用，催化剂表面产生少量的碳沉积和轻微的烧结现象。优异的抗烧结性能主要是由于催化剂特殊的叶片状形貌延长了活性位点的距离和强金属载体相互作用抑制了奥斯瓦尔德熟化；抗积碳性能主要是由于载体中Ca₁₂Al₁₄O₃₃抑制了丝状炭的形成，Ca掺杂抑制了封装炭前驱体的形成。该工作为新型镍基催化剂的设计及其在生物质催化气化制氢的应用提供了理论依据。相关成果“A highly stable leaf-like Ni/Ca3AlO catalyst for hydrogen production from biomass gasification”已发表在中国科学院一区期刊《能源》（Energy）上。

此外，研究人员以新疆 3 种典型的生物质及其半焦为研究对象，探讨了 AAEMs 对产生各组分气体的影响，以及固有金属元素 钾（K） 和钙（ Ca） 对产生富 H₂ 合成气的机制。研究人员通过实验发现，在700 °C时，棉杆气化产生的 H2 和合成气产量分别可达 29.4 mmol/g_biomass和34.4 mmol/g_biomass。通过进一步酸洗-浸渍实验发现，当 K 和 Ca 负载量为 2K-2.5Ca 时，可以实现 H₂ 产率最大化。研究人员确定了 AAEMs 在气化反应过程发挥了主要的促进作用，并成功验证了 K 在气化过程中的主要催化作用以及 K 和 Ca 协同产气的机制。这项工作有助于更好地了解 AAEMs 在生物质气化中的催化作用，并为 K 主导的催化过程以及高效生产中的 K 和 Ca 协同效应提供见解。相关成果“Synergistic promotion of K and Ca in the efficient production of H2-rich syngas from cotton stalks”已发表在中国科学院一区期刊《可再生能源》（Renewable Energy）上。

文章链接：

1. “A highly stable leaf-like Ni/Ca3AlO catalyst for hydrogen production from biomass gasification”，Energy；
2. “Synergistic promotion of K and Ca in the efficient production of H2-rich syngas from cotton stalks”，Renewable Energy。
   

图1. 叶状Ni/Ca3AlO催化剂用于生物质气化，实现高稳定性制氢

图2. K 和 Ca 协同催化生物质制备富氢合成气机理示意图