Fe-K协同催化生物炭蒸汽气化制富氢合成气的多参数优化与机理研究

本研究创新性地采用响应面法（RSM）优化Fe-K基生物炭蒸汽气化工艺，在667℃低温条件下实现97.52%碳转化率和140.25 mol/kg氢产率，揭示了温度与空速（GHSV）对水煤气变换反应（WGSR）的关键调控作用，为生物质低碳转化提供新策略。

　　

Highlight

Fe-K协同催化生物炭蒸汽气化展现出突破性性能：在温和的667℃反应窗口内，通过优化参数实现97.52%碳转化效率，氢产率达140.25 mol/kg，有效合成气产量3.99 Nm³/kg（S/C比仅1.88）。该研究为低温生物质气化制氢建立了多参数协同优化范式。

Materials

采用中药残渣（HR）为原料，通过浸渍法负载10 wt% K₂CO₃和5 wt% Fe₂O₃制备催化剂前体，105℃干燥12小时后进行催化热解。

Model construction and analysis

采用Box-Behnken设计（BBD）构建四因素（温度、时间、蒸汽含量、GHSV）响应面模型，碳转化效率与氢产率模型R²分别达0.9747和0.9663。揭示GHSV通过调控气固接触时间显著影响WGSR动力学。

Conclusion

Fe-K双金属催化剂通过形成C-O-K活性位点和Fe氧空位协同促进C-C键断裂与水分子解离，RSM优化证明在667℃/7500 h^?1条件下可实现低温高效制氢，为工业放大提供理论依据。