祝贺课题组李颖的论文：The Reduction Kinetics of Low-Cost Cu/Fe-based Oxygen Carrier in Chemical Looping Mode被能源领域知名期刊Energy & Fuels收录。赵海波教授为通讯作者，博士生李颖、毕业生王亚男为共同第一作者。

现阶段人工合成载氧体难以满足大规模工业化应用要求。因此从成本和绿色环保角度出发，天然矿石和工业废弃物都是极具竞争力的氧载体材料。目前对于廉价环保的赤铁矿石及赤泥等铁基氧载体的研究最为广泛，然而其氧传递能力相对较低，因此很难对煤等燃料实现高效转化。铜矿石氧载体具有高携氧能力及良好的反应性，然而存在高温易烧结的问题。先前大量研究发现，Cu-Fe双金属氧载体表现出了高反应性及抗团聚性。此外，合成气与CuO的反应是放热过程，而与Fe₂O₃的反应是吸热过程，所以将富含Fe₂O₃的矿石（如铁矿石）或工业废弃物（如赤泥）和富含CuO的矿石（如铜矿石）结合在一起，理论上可以在燃料反应器中实现自热平衡。物理混合的矿石颗粒可能会由于密度不同发生偏析现象，通常使用廉价水泥作为粘结剂将不同种类细颗粒原料粘结在一起，可以提高复合氧载体的抗烧结能力。

氧载体的反应性与氧载体的筛选及反应器的合理设计密切相关，因此对于化学链过程中氧载体的氧化还原反应动力学的研究尤为关键。以往研究中大多为对铁基或铜基单活性氧载体的动力学研究，对于Cu-Fe基复合氧载体的探究十分匮乏。此外，现存的少量研究中没有系统地研究Cu-Fe基复合氧载体在高温和低温下的还原动力学，并且没有研究二者之间的协同效应造成的影响。因此，华中科技大学赵海波教授团队以铜矿石和赤泥（或赤铁矿石）为原料，开发出了热中性复合氧载体，并对两种单一活性原料氧载体（赤泥和Fe100@C）和两种复合氧载体（Cu20Fe80@C和Cu10.9Red89.1@C）进行了循环反应稳定性测试，同时采用等温法分别在高温和低温区间内进行了氧载体的还原反应动力学分析。研究过程中采用H₂作为反应气体，通过对各氧载体的还原反应数据进行分析拟合，选择合适的动力学模型进行描述，最后分析得到了各动力学参数。

图1 Cu-Fe基复合氧载体还原动力学特征研究流程

对氧载体在高温条件下（750~950 °C）的还原反应特性及其动力学特征进行了研究。在低温条件下，通过H₂程序升温还原实验确定了Fe100@C、赤泥、Cu20Fe80@C和Cu10.9Red89.1@C氧载体的起始还原反应温度分别为442.5 ℃、474.4 ℃、348.7 °C和357.2 ℃。由下图可知，赤泥和Fe100@C氧载体的还原反应过程可用收缩核模型G(X) = 1-(1-X)^1/3进行描述，计算出的活化能分别为86.44 kJ/mol、62.33 kJ/mol，反应级数分别为1.03、0.49，指前因子分别为2.74×10³ atm^-1.03s^-1、19.53 atm^-0.49s^-1；Cu10.9Red89.1@C和Cu20Fe80@C复合氧载体的还原反应过程可用收缩核模型G(X) = 1-(1-X)^1/2进行描述，计算出的活化能分别为58.49 kJ/mol、59.07 kJ/mol，反应级数分别为0.78、1.13，指前因子分别为1.73×10² atm^-0.78s^-1、6.69×10² atm^-1.13s^-1。

本工作受到了国家重点研发计划项目(2022YFE0135500)、国家自然科学基金项目(52025063)和湖北省重点研发计划项目(2022BCA087)的资助。

文章完整信息：

Ying Li, Yanan Wang, Kunlei Liu, Haibo Zhao*. Reduction Kinetics of Low-Cost Cu/Fe-Based Oxygen Carriers in Chemical Looping Mode. Energy & Fuels 2023 37 (21), 16716-16728.

DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c02753

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