【解读】李孔斋团队:NiO增强CeO2-MgO载氧体化学链CO2分离

发布于 2021-10-13 15:11

化学链CO₂分离技术（Chemical Looping CO₂ Splitting）是一种可以实现温室气体CO2高效转化和分离的技术手段，对于应对全球气候变暖具有重要意义。传统甲烷干重整获得的产物复杂，对分离设备要求高。而该技术将传统干重整技术一分为二，在空间上分为CH4还原阶段和CO₂分离阶段，有效降低产物分离难度和成本，实现物料的高效转化和利用。在该技术领域，提高CeO₂合成气选择性、抑制积碳的研究一直是热点。该研究试图用NiO改性CeO₂，用MgO修饰载氧体，达到上述目的。因此，通过分步共沉淀法制备了系列xNiO/(CeO₂-MgO)双固溶体载氧体。相关工作以“Enhanced performance of the CeO₂-MgO oxygencarrier by NiO for chemical looping CO₂ splitting”为题发表在Fuel Processing Technology上。

图1 图文摘要

结果表明，NiO分别与CeO₂和MgO形成了CeO₂-NiO和NiO-MgO双固溶体，其中，NiO-MgO固溶体是由于较小尺寸的Ni²⁺进入MgO中而形成的。双固溶体形式不仅提高了CeO₂可移动晶格氧数量和NiO分散性，还有效促进了CH₄转化和CO₂活化。如图2，相比于未添加NiO的样品，10%NiO/(CeO₂-MgO)载氧体的CH₄转化率和CO产量有了显著提升，分别从15.65%和0 mmol/g增加到59.64%和1.75mmol/g。

图2 NiO含量载氧体活性评价：(A) CH₄反应阶段；(B) CO₂分离

通过活性评价对比，最终选择出10%NiO/(CeO₂-MgO)载氧体进行多次氧化还原循环实验。图3循环前后的XRD和TEM图中未观察到物相变化，也未观察到明显的形貌改变和积碳形成，表明该双固溶体载氧体具有良好的循环稳定性和抗积碳性能。经过循环后，450℃附近的CeO₂还原峰强度明显增强，意味着可还原的可移动晶格氧数量明显增加，图4中XPS谱图也证实了这一点。

图3 10%NiO/(CeO₂-MgO)载氧体氧化还原循环前后的物化表征

图4 10%NiO/(CeO₂-MgO)载氧体氧化还原循环前后的XPS谱图

本研究通过双固溶体载氧体思路显著提高了CeO₂活性和抗积碳性，实现了CH₄和CO₂的有效捕集和利用，为实现产物高效分离提供了可能，也为丰富轻稀土铈基储氧材料以及NiO在化学链技术中的应用提供了新的技术思路。在“双碳”大背景下，化学链CO2分离技术有着巨大优势，可适应较为复杂的工业生产环境。因此，本研究在一定程度上也为加快化学链CO₂分离技术工业化提供了理论指导。该研究得到国家自然科学基金的资助。

导师介绍

李孔斋，教授，博士生导师，教育部，青年长江学者。主要从事冶金炉气资源化利用和能源催化方面的研究。在Chem、NatureComunications、Journalof Catalysis、ACScatalysis、NanoEnergy、AppliedCatalysis B: Environmental、等国际期刊发表SCI收录论文133篇，其中第一作者或通讯作者论文77篇，论文被引用3100余次，H因子31，出版学术专著1部。以第一申请人获授权国家发明专利 27项。入选云南省省政府特殊津贴获得者、云南省中青年学术和技术带头人和云南省万人计划青年拔尖人才，获云南省自然科学特等奖1项、科技进步一等奖1项、自然科学二等奖1项、云南省优秀博士论文奖等。

文本编辑：Kelvin