尽管高炉煤气可以通过水-煤气变换（WGS）反应生成氢气，然后再进行气体分离，但由于高炉煤气中存在大量的N₂和CO₂，这种传统制氢的方法效率很低。化学链气化（CLG）或化学链水分解（CLWS）方目前受到人们越来越多的关注。氧化铁具有较高的氧容和合适的热力学性质，是目前研究最多的CLWS氧载体。

近日，清华大学王伟教授，北卡罗来纳州立大学Fanxing Li报道了将熔融金属（Bi、In和Sn）作为铁基氧化还原催化剂的有效改进剂，成功在中温（450−650 °C）下利用低热值废气（如高炉煤气）进行化学环路制氢。

文章要点

1）研究人员详细研究了Bi助剂对铁氧化物表面性质和体相性质的影响。透射电子显微镜和能量色散光谱（TEM-EDS）、低能离子散射（LEIS）、拉曼光谱和¹⁸O₂交换实验表明，Bi改性剂在块状铁（氧化物）上形成了一层覆盖层，与La_0.8Sr_0.2FeO₃和Ce_0.9Gd_0.1O₂负载的铁氧化物相比，具有更好的抗结焦性能。此外，Bi改性样品还表现出更好的抗烧结性能和高氧化还原活性，在550 °C的循环氧化还原反应下，氧容量是原始Fe₂O₃的4倍（28.9 vs 6.4 wt%）。

2）实验结果和密度泛函理论（DFT）计算结果显示，在氧化铁结构中掺入少量的Bi可以有效地降低氧空位形成能（从3.1降至2.1 eV）和空位迁移势垒，从而有效地提高氧化铁的氧化还原性能。

3）活性测试表明，Bi改性氧化还原催化剂对高炉煤气等低热值废气具有较高的转化活性。

4）这一策略可以推广到低熔点金属，如Bi，In和Sn，用于化学环化过程中的氧化铁改性。

参考文献

Iwei Wang, et al, Liquid Metal Shell as an Effective Iron Oxide Modifier for Redox-Based Hydrogen Production at Intermediate Temperatures, ACS Catal. 2021

DOI: 10.1021/acscatal.1c02102

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c02102