研 究 背 景

在碳中和目标下，生物质热解耦合催化蒸汽重整因可实现资源化利用与潜在负碳而被视为绿氢的重要路径之一。Ni、Co等非贵金属作为该过程的主要活性组分，在中温富水蒸气环境中仍面临蒸汽活化效率、活性位稳定性、烧结与积炭等多重挑战，其中水分子活化与活性位的长效维持是影响中温性能与选择性的关键因素之一。

生物炭作为生物质热解衍生的缺陷型π共轭碳基体，具有可调的孔隙、表面碱性与电子缓冲能力，可通过较强的金属-载体相互作用锚定高分散的Ni/Co活性相。本研究聚焦于Ni基与Co基生物炭催化剂的助剂效应，相较于已报道的Fe、Ce、Ca等促进剂体系，锂凭借其强电正性、小离子半径与给电子特性，有望在金属-碳界面构筑极化场并调控氧空位，同时其在生物炭负载的Ni/Co体系及中温蒸汽重整条件下的本征电子功能此前尚未被系统阐明。

图1 目录图：锂在镍基生物炭上形成的Li-Ni-O/Ni异质结构并创制氧空位，通过界面极化场促进水活化，实现中温生物质高效制氢。

研 究 亮 点

1.锂为16种促进剂中最优：10Ni5Li较其他促进剂产氢量高1.3–2倍，较未掺锂的10Ni氢气产率提升52.6%、合成气提升89.3%，且镍基体系增益显著优于钴基。

2.构筑异质结并创制氧空位：形成Li-Ni-O/Ni强耦合界面，同步提高强碱位与氧空位浓度，增强金属-载体相互作用，实现小粒径高分散与抗烧结抗积炭。

3.揭示界面极化场机制并实现低温高效：在600 ℃下最优样品产氢量达24.8 mol/kg-biomass、氢气占比54.9%，较无锂样品提升112%，在8次连续重整中保持稳定。

图 文 解 析

锂诱导的界面重构是性能增益的结构基础。研究通过一步蒸汽辅助热解在生物炭上构筑了由LiNiO₂纳米簇（1–3 nm）紧密包覆金属镍（3–13 nm）的Li–Ni–O/Ni强耦合异质结构，具有高分散特征，并伴随Li₄SiO₄/Li₂SiO₃/Li₂CO₃物相协同增强CO₂吸附；多尺度表征进一步表明该结构显著增强了金属-载体相互作用并稳定了Ni⁰的活性，同步增强了强碱位与可调氧空位，为水分子活化与积炭气化提供了双重活性保障。

图2 异质结构的构筑与晶体学表征（对应原文 Figure 1）：XRD、HRTEM与原位DRIFTS揭示Li–Ni–O/Ni界面及Li⁺-O=C=O碳酸盐中间体的形成。

界面电子重排是锂促进水活化的本质驱动力。理论计算表明，锂作为强给电子体使镍位电荷显著富集并发生亲核性转变，构筑起Li→Ni→生物炭的定向极化场与电荷梯度，静电势与Fukui分析显示该极化场可定向极化吸附水分子并大幅降低决速步H–OH键断裂能垒；同时生物炭离域π电子作为电子缓冲池协同稳定关键中间体，镍–锂簇更低的自旋极化亦印证了其优于钴体系的结构相容性与本征活性。

图3 界面电子调控机制（对应原文 Figure 4）：静电势、平均局部电离能及Fukui函数揭示锂诱导的极化场与亲核性转变。

上述结构与电子效应最终在中温催化性能与多参数协同中得到验证。在600 ℃蒸汽重整中，锂促进使氢气选择性与合成气产率同步跃升，并在16种促进剂对比中确立最优地位；通过对锂含量、蒸汽碳比与蒸汽时长的协同调控，最优样品10Ni5Li-5-20实现了54.9%氢气占比与24.8 mol/kg-biomass产氢量，较无锂样品提升112%且优于文献中800–900 ℃多数生物炭基催化剂，并在8次连续循环后仍保持稳定，凸显了异质结构–氧空位–极化场协同策略在温和条件下的先进性与可扩展性。

图4 多参数协同调控与性能验证（对应原文 Figure 6）：锂含量、蒸汽碳比与蒸汽时长协同调控酸碱性、氧空位及金属分散，决定最优催化剂的低温高效与稳定性。

综上，本工作从电子层面阐明了锂在金属–碳异质体系中的本征促进功能，为以废弃生物质为载体、低成本碱金属为电子给体的碳基催化材料理性设计及“废弃物–生物炭–绿氢”闭环提供了普适性范式。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Interface-Engineered Li–Ni–O/Ni Heterostructures With Tunable Vacancies on Biochar Enable Biomass-to-Hydrogen Conversion

文章研究方向：

催化、碳基能源材料、氢能— —生物质蒸汽重整、生物炭催化剂、锂促进效应、Li-Ni-O/Ni异质结构、氧空位、金属-载体相互作用

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70266

DOI: 10.1002/cey2.70266

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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