英文原题：Enhancing the performance of spinel La-doped CoFe₂O₄ oxygen carriers for chemical looping hydrogen generation

作者：Weifeng Song，Jingli Wu*, Jianqing Li, Zhiqi Wang, Tao He, Wenqing Chen, Deshuai Sun, Jinhu Wu*

01 论文信息

论文信息

Song W, Wu J, Li J, et al. Enhancing the Performance of Spinel La-doped CoFe₂O₄ Oxygen Carriers for Chemical Looping Hydrogen Generation[J]. Green Carbon, 2024 2(4) 393-400.

论文关键词

Chemical looping; Hydrogen generation; Oxygen carrier; Spinel

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.08.004

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Enhancing the performance of spinel La-doped CoFe₂O₄ oxygen carriers for chemical looping hydrogen generation

中文解读原链接

Green Carbon文章│中国科学院青岛能源所吴晋沪研究员、武景丽高级工程师：化学链制氢中尖晶石结构载氧体研究

02 背景简介

氢能作为一种新兴的二次能源，具有能量密度高、清洁无污染的特点，是化石燃料的最佳替代品之一，具备广阔的应用前景。目前，氢气的获取主要依赖于天然气重整和煤气化等碳基灰氢技术。然而，传统的制氢技术需要消耗煤、石油和天然气等化石原料，从长远来看，这些原料资源的供给是不可持续的。此外，传统制氢过程还存在污染物和二氧化碳排放量大的问题。在限制碳排放以及追求高效、低碳、清洁化制氢的大环境下，以可再生能源为原料的绿氢生产被认为是未来氢能生产的发展方向。

化学链技术通过载氧体的循环实现氧和热量的传递，是一种新型的能源转化利用方式。基于化学链原理的重整制氢技术通过载氧体的晶格氧对燃料进行部分氧化制备合成气或氢气，将反应过程和物质进行了时空分离。这种技术在实现制氢的同时能够近零能耗地原位分离产物，因此成为当前化学链领域的研究热点，也是一项具有巨大潜在优势的新型制氢技术。

近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所吴晋沪研究员和武景丽高级工程师于Green Carbon发表题为“Enhancing the Performance of Spinel La-doped CoFe₂O₄ Oxygen Carriers for Chemical Looping Hydrogen Generation”文章。该研究探讨了尖晶石结构氧载体在化学链制氢过程中的性能表现，并揭示了镧负载的钴铁复合载氧体在促进氧空位形成及加速晶格氧转移方面的显著优势。

03 文章简介

化学链制氢是一种清洁高效的可持续制氢方法。化学链制氢技术产业化发展关键在于开发出机械性能好、反应活性高的载氧体。为了解决上述技术瓶颈，本工作针对铁基载氧体在学链制氢中因活性物种烧结和积碳而快速失活的问题，在铁基载氧体中掺杂Zn、Co等第二组分金属，形成尖晶石复合氧化物，通过合理设计载氧体结构和组分来调控其体相氧迁移能力以及携氧能力，从而控制将晶格氧输送到表面催化部位的速率，提高载氧体活性。

文章考察了三种尖晶石型氧载体（ZnFe₂O₄、CoFe₂O₄和NiFe₂O₄）在三床化学链制氢反应器中的性能。其中，CoFe₂O₄表现出最佳的反应性和最高的氢气产率。此外，向CoFe₂O₄中掺杂不同量的镧可进一步提升其性能。对材料的表征分析揭示，镧的加入不仅促进了氧空位的生成，还加速了晶格氧的迁移速率。此外，研究还发现，适当质量比例的镧掺杂能够提升氧载体的结晶度，进而增强其循环稳定性。

（a）不同种类载氧体在蒸汽反应器中的气体产物分析；（b）镧掺杂量对气体产率影响；（c）镧掺杂量对氢气产率影响； （d）不同循环时氢气产率变化

总结及展望

本文着重考察复合载氧体阳离子组成、微观结构在化学链制氢中对产物选择性和产率的影响，通过调控金属元素组成和助剂含量来增强载氧体的体相氧迁移能力和携氧能力。对于尖晶石结构载氧体性能的深入研究，有望为化学链制氢技术中新型氧载体的规模化开发提供新思路。未来研究应进一步集中在高活性长寿命载氧体的定向设计策略和规模化制备技术上。

04 文章摘要

Abstract

Chemical-looping hydrogen generation (CLHG) is a clean and efficient method for sustainable hydrogen production. The industrial advancement of the CLHG technology hinges on the development of highly active and selective oxygen carriers (OCs). In this study, the performances of three spinel OCs (ZnFe₂O₄, CoFe₂O₄, and NiFe₂O₄) were investigated in a fixed-bed reactor. CoFe₂O₄ demonstrated the best reactivity and highest hydrogen yield. In addition, doping CoFe₂O₄ with varying amounts of La further improved its performance. The highest hydrogen yield (393 mL/g) was observed for CoFe₂O₄ doped with 10% by mass of La. The characterization results indicated that La not only facilitated the formation of oxygen vacancies but also accelerated lattice oxygen transfer. Furthermore, an optimized La doping level was found to boost the crystallinity of the oxygen carrier, leading to improved cycling performance. The insights gained from probing the performance of La-doped CoFe₂O₄ OCs are expected to contribute to the development of novel OCs for scaled-up CLHG technology.

05 作者简介

武景丽 高级工程师

武景丽，中国科学院青岛生物能源与过程研究所高级工程师，硕士生导师。主要开展生物质/煤的气化/热解、可燃固体废弃物高值化利用、化学链反应过程及相关材料的调控制备等领域的研究工作。主持包括国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、山东省青年基金等各级项目，迄今为止在国内外重要期刊发表论文20余篇，授权国内发明专利15项。

孙德帅 副教授

孙德帅，青岛大学化学化工学院副教授，硕士生导师。2009年在青岛科技大学获得博士学位，主要从事清洁化工过程技术研究。主持包括国家自然科学基金、山东省重点研发等各级项目，迄今为止在国内外重要期刊发表论文60余篇，授权国家发明专利20余项。

吴晋沪 研究员

吴晋沪，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，热化学转化研究组负责人。中国科学院特聘核心岗位研究员，山东省泰山学者特聘专家，青岛市首批创新领军人才。获省部级奖励2项。长期从事生物质热化学转化技术开发和工程应用研究，主持包括国家自然科学基金、国家重点研发项目、课题，中国科学院战略先导课题等各级重要项目。迄今为止发表学术论文200余篇，授权国内发明专利30余项。

06 Green Carbon

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