近日，南京师范大学能源与机械学院赵传文教授领衔的低碳能源与绿色储能科研团队在CO₂捕集转化一体化研究方面取得进展，相关成果在Energy期刊上发表题为“Combining CO₂ capture and conversion with Ni-CaO-biochar for rice straw gasification”论文。

全球能源危机与环境污染问题日益严峻，推动清洁可再生能源发展迫在眉睫。生物质能因其资源丰富、碳中性等优势，成为替代化石燃料的重要选择。水稻秸秆作为典型农业废弃物，产量大但利用率低，传统焚烧处理导致资源浪费与环境污染。利用气化过程可将水稻秸秆转化为合成气，然而气化过程中产生的CO₂会降低气体热值与品质，制约其高效利用。生物质气化耦合CO₂捕集与高效制备合成气工艺的核心优点在于实现了“一举多得”的协同效益。该工艺利用可再生生物质作为原料，通过耦合CO₂捕集技术，将气化过程中产生的CO₂捕获封存或利用，实现了“负碳排放”，同时通过催化剂的定向调控，可提升合成气的浓度和产率。因此，该技术完美融合了可再生能源利用、CO₂负排放与化工原料绿色生产三大优势，是通向碳中和目标的一条极具潜力的技术路径。

研究利用每次气化残留生物炭为载体，采用浸渍法制备了一种Ni-CaO-生物炭复合催化剂，实现了CO₂原位捕获与合成气高效制备的双重功能。系统探究了CaO/生物炭比例与Ni负载量对气化性能的影响。结果表明，当CaO与生物炭比例为1:1、Ni负载量为10 wt%时，催化效果最优，气体总产率达697.36 mL/g生物质，合成气产率为574.67 mL/g，体积分数达82.42 vol.%，其中H₂和CO占比显著提升。催化剂在10次循环实验中仍保持较高稳定性，积碳率低于5%。相关表征结果显示，CaO有效吸附CO₂形成CaCO₃，生物炭改善孔隙结构与分散性，Ni增强C–C键断裂与重整反应活性。该研究为农业废弃物资源化与低碳能源转化提供了高效、绿色的催化解决方案。

【图文导读】图1显示了使用不同催化剂对水稻秸秆（RS）气化产物分布、气体成分及气体产率的对比影响，该实验深刻揭示了纯CaO、CaO-生物炭以及引入活性金属Ni后催化剂对气化过程的影响机制。在无催化剂条件下，直接气化的气体产率和生物炭产率分别为44.28%和36.69%；气体中CO₂浓度较高，为27.78 vol.%（占总气体浓度），H₂和CO浓度分别为33.32 vol.%和27.29 vol.%。使用纯CaO和CaO-生物炭催化剂后，气体产率显著下降至24.83%和24.66%，这主要归因于CaO对CO₂的吸附作用，导致可收集的气体总量减少。此时，在气体组成方面，CO₂产率急剧降低，从119.50 mL/g降至13.57 mL/g，证明了催化剂优异的CO₂捕获能力，CaO能够有效捕集CO₂，生物炭的加入提供了发达的孔隙结构，分散和稳定了CaO颗粒，减缓其烧结失活，增强了CO₂捕获能力，其自身含有的矿物质和碳结构也对催化反应有积极作用。当引入Ni后，得益于Ni卓越的催化活性，有效催化了焦油大分子的裂解与重整反应，生成更多小分子气体，气体总产率最高（697.36 mL/g生物质），其中H₂产率达373.74 mL/g生物质，CO产率达200.93 mL/g生物质。Ni活性位点极大地促进了C-C和C-H键的断裂，深度催化重整了焦油和烃类气体，显著提高了合成气（H₂+CO）的总产量和占比（82.42 vol%），实现了高效制氢与CO₂原位脱除的协同强化。

图1 不同催化剂对(a)气-炭产量、(b)气体组成和(c)气体产量的影响(其中CaO：生物炭为1：1，Ni的负载量为10 wt%)

图2显示了XRD与N₂吸附-脱附等温线及孔径分布数据，系统表征了纯CaO、CaO-生物炭及Ni-CaO-生物炭催化剂在反应前后的结构特性。新鲜催化剂的XRD图谱显示，纯CaO主要以CaO和Ca(OH)₂晶相存在，其比表面积较低，孔容较小，呈现典型的块状介孔结构；引入生物炭后，CaO-生物炭催化剂的CaO衍射峰强度减弱，比表面积显著增大，孔容增加，表明生物炭有效改善了载体的孔隙结构与分散性；进一步负载Ni后，Ni-CaO-生物炭催化剂在XRD中清晰呈现金属Ni的衍射峰，其晶粒尺寸较小，但由于Ni颗粒嵌入并部分堵塞载体孔道，比表面积和孔容较CaO-生物炭有所下降。反应后，XRD图谱中所有催化剂均出现强烈的CaCO₃特征峰，证实CaO在气化过程中有效捕获CO₂；同时，BET结果表明所有催化剂的比表面积和孔容进一步减小，这源于CaO碳化转化导致的颗粒膨胀以及反应中积碳的沉积覆盖。然而，Ni-CaO-生物炭催化剂的Ni晶粒尺寸仅略微增大，且平均孔径保持稳定，表明其结构在反应过程中具有良好的抗烧结性和整体稳定性，这为催化剂优异的循环性能和协同催化-吸附功能提供了关键结构基础。

图2 催化剂结构表征分析(a)反应前XRD图谱，(b)反应前孔径分布和N₂吸附-脱附等温线，(c)反应后XRD图谱，(d)反应后孔径分布和N₂吸附-脱附等温线

对使用过的Ni-CaO-生物炭催化剂在N₂条件下于900℃下再生20min，测试催化剂在10个循环中的稳定性。结果如图3所示，催化剂的性能随着次数的增加而开始下降，前三个循环的性能下降最为明显，这可能是因为CaO晶体烧结，碳积累增加，部分Ni被覆盖，导致催化活性降低。在第三个循环之后，催化剂的性能开始稳定，总产气量基本稳定在基本稳定在594.34±18.42 mL/g生物质，H₂产量和浓度保持在257.03±12.58 mL/g生物质和43.24±1.52 vol.%，CO₂产量和浓度稳定并保持在73.18±0.94 mL/g生物质和12.31±0.75 vol.%，仍低于RS直接气化的119.50 mL/g生物质和27.78 vol.%。循环测试证明催化剂具有良好的循环稳定性。

图3 Ni-CaO-生物炭催化剂的循环稳定性测试(a)气体组成和(b)气体产量

【结论】利用RS气化后的固体残留物（生物炭）制备了Ni-CaO-生物炭复合催化剂，并将其用于催化RS气化过程，实现了CO₂的原位捕获与高品质合成气制备的协同过程。当CaO与生物炭比例为1:1、Ni负载量为10 wt%时催化剂性能最优，气体总产率达697.36 mL/g生物质，合成气产率为574.67 mL/g生物质，体积分数为82.42 vol.%。催化剂在10次循环中仍保持良好稳定性。表征结果显示，CaO有效吸附CO₂生成CaCO₃，生物炭改善了催化剂孔隙结构，Ni增强了催化活性，三者协同促进了气化反应。反应后积碳率低于5%，进一步证明催化剂具有优良的抗积碳性能。该研究为农业废弃物资源化利用与低碳能源转化提供了一种高效、绿色的催化体系解决方案。（内容来源：南京师范大学/能源与机械工程学院）

（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.137639）