铁酸钙载氧体化学链能源转化技术

化学链能源转化技术是基于化学链燃烧发展而来的一系列清洁低碳、安全高效的热化学能源转化新途径和新方法。该技术以载氧体材料为媒介，通过其在燃料反应器和再生反应器间的氧化还原循环，分别实现燃料转化与载氧体再生，通过载氧体晶格氧的体相传递和表面反应实现燃料定向转化与产物选择性调控，避免燃料与空气直接接触。此外，部分化学链能源转化还具有空气内分离、二氧化碳捕集等优势。迄今，化学链能源转化技术已在燃烧、气化、重整、制氢、脱氢等诸多领域得到成功应用并展现出巨大潜力。 
载氧体贯穿整个化学链循环过程，对反应物的高效转化和目标产物的选择性调控具有至关重要的作用。载氧体应具备合适的晶格氧传递能力以实现反应物的高转化率和产物的高选择性，同时还应具有较高的机械强度和耐磨损性、良好的循环稳定性以及抗积炭和抑制中毒的能力。在众多载氧体中，铁酸钙是典型的钙铁石型复合氧化物，具有来源广泛、成本低廉、化学性质稳定以及膨胀系数低等诸多优点，逐渐成为人们重点研究和开发的热点载氧体之一。近年来，作者对铁酸钙载氧体化学链能源转化技术开展了深入系统的研究，积累了大量的实验数据，发现了一些颇具价值的现象和规律，提出了一系列新观点和新方法，这些工作为本书的撰写奠定了基础。 
本书共包括6 章，以化学链技术、载氧体制备、性能调控、机理阐释为主线，全面介绍了基于化学链的能源转化方法。第1 章介绍了化学链技术的基本原理、载氧体材料及反应器选择标准、研究现状等，对现有化学链能源转化途径进行了梳理。第2 章介绍了化学链用载氧体材料的物理化学特性、研究现状及相应的化学链能源转化性能。第3 章介绍了铁酸钙载氧体制备方法（包括固相合成法、共沉淀法、水热法、浸渍法、溶胶凝胶法和气凝胶法等），探讨了制备方法对铁酸钙载氧体材料的适用性，分析了溶胶凝胶法与气凝胶法制备的铁酸钙载氧体材料的物理化学性质。第4~6 章分别阐述了铁酸钙载氧体在化学链制氢、CO2 转化利用以及生物质能高值化利用方面的研究及应用。 
本书的研究工作得到了国家重点研发计划资助项目（2022YFE0105900）、国家自然科学基金资助项目（52276093、52106193）、湖南省自然科学基金资助项目（2021JJ40756）、湖南省科技创新计划资助项目（2022RC1126、2021RC4006、2020GK2070）、中南大学创新驱动计划- 青年创新团队项目（2020CX008）的资助。研究生石为之、雷坤、余书范、李科、刘瀚鹏、张可、龚蕴涵、胡辰峰、王婷巍、王滨、王慧彩、郝晨存、王燨晨参与了书稿的整理，在此一并表示感谢。 
化学链能源转化技术是一个快速发展并日益受到广泛关注的研究领域，其反应机理和调控机制均还有大量问题尚待进一步深入探讨。虽然作者对本书内容进行了认真思考和反复推敲，但限于学识和水平，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。 

作者 
2023年1月1日 

本书以化学链技术为基础，详细阐述了铁酸钙载氧体用于化学链能源转化的新思路、新途径和新方法。内容包括：化学链技术的基本概念和发展现状；化学链用载氧体材料；铁酸钙载氧体的制备方法；铁酸钙载氧体化学链制氢；铁酸钙载氧体化学链二氧化碳裂解；铁酸钙载氧体生物质化学链气化。本书立意新颖、内容丰富、可读性强，不仅可供能源、环境、化工、材料等领域的科技人员参考，也适合于对化学链能源转化技术感兴趣的非专业读者阅读。

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第1章　化学链技术    001 
1.1　化学链燃烧    001 
1.1.1　化学链燃烧技术基本原理    001 
1.1.2　载氧体研究进展    002     
1.1.3　反应器研究进展    005 
1.2　化学链重整    008 
1.2.1　化学链甲烷水蒸气重整    008 
1.2.2　 化学链甲烷水蒸气重整工艺中载氧体研究现状    009 
1.3　化学链气化    011 
1.3.1　化学链气化基本原理    011 
1.3.2　化学链气化研究现状    012 
1.4　化学链脱氢    013 
1.5　化学链偶联    015 
1.6　化学链氮化    016 
1.6.1　Haber-Bosch 式化学链合成氨    017 
1.6.2　碳基化学链合成氨    020 
1.7　化学链制氧    022 
1.8　化学链脱氧    023 
参考文献    024 

第2章　载氧体材料    030 
2.1　单组分载氧体    030 
2.1.1　铁基载氧体    031 
2.1.2　铜基载氧体    033 
2.1.3　锰基载氧体    034 
2.1.4　钼基载氧体    035 
2.1.5　铬基载氧体    037 
2.1.6　镍基载氧体    037 
2.1.7　钴基载氧体    039 
2.1.8　钒基载氧体    040 
2.2　复合载氧体    040 
2.2.1　固溶体    040 
2.2.2　尖晶石    043 
2.2.3　钙钛矿    044 
2.2.4　铜铁矿    046 
2.2.5　钙铁石    048 
2.2.6　氧离子传输    049 
参考文献    050 

第3章　铁酸钙载氧体制备    058 
3.1　固相合成法    058 
3.2　共沉淀法    060 
3.3　水热法    063 
3.4　浸渍法    066 
3.5　溶胶凝胶法    069 
3.6　气凝胶法    082 
参考文献    092 

第4章　化学链制氢    097 
4.1　水蒸气裂解制氢    097 
4.1.1　化学链制氢概述    097 
4.1.2　化学链制氢载氧体研究进展    098 
4.1.3　 基于铁酸钙载氧体化学链制氢特性    100 
4.2　甲烷裂解制氢    109 
4.2.1　催化载氧体的制备    110 
4.2.2　甲烷裂解    111 
4.2.3　CO2 裂解    115 
4.2.4　催化稳定性    117 
4.2.5　DFT 计算    121 
4.2.6　机理分析    125 
4.3　甲醇氧化重整制氢    126 
4.3.1　甲醇制氢    126 
4.3.2　催化载氧体制备    128 
4.3.3　热力学优化及催化测试    130 
4.3.4　氧化还原循环性能    133 
4.3.5　反应机理    136 
4.3.6　结论    138 
参考文献    139 

第5章　化学链二氧化碳裂解    146 
5.1　裂解载氧体筛选    148 
5.1.1　吉布斯自由能    148 
5.1.2　Aspen Plus 模型建立    150 
5.1.3　热力学分析与讨论    151 
5.2　再生阶段裂解    153 
5.2.1　 基于铁酸钙载氧体化学链CO2 还原油气联产特性研究    154 
5.2.2　化学链循环关键阶段载氧体表征    159 
5.2.3　裂解过程机理    164 
5.3　气化阶段裂解    166 
5.3.1　生物质与载氧体    168 
5.3.2　载氧体的表征    170 
5.3.3　脱氧气化    170 
5.3.4　载氧体演化机制    177 
5.3.5　载氧体再生    179 
5.3.6　系统能量分析    180 
5.3.7　密度泛函理论计算    181 
参考文献    184 

第6章　生物质化学链气化    189 
6.1　生物质脱氧气化    190 
6.2　生物质焦油脱除    199 
6.3　热解- 气化制氢    201 
6.3.1　实验系统    201 
6.3.2　数据分析方法    202 
6.3.3　 基于铁酸钙载氧体生物质化学链气化制富氢合成气特性研究    203 
6.4　动力学特性研究    214 
6.4.1　气化载氧体制备与性能测试    215 
6.4.2　生物炭气化反应性研究    216 
6.4.3　模型验证    218 
参考文献    222

本书以化学链技术为基础，详细阐述了铁酸钙载氧体用于化学链能源转化的新思路、新途径和新方法。内容包括：化学链技术的基本概念和发展现状；化学链用载氧体材料；铁酸钙载氧体的制备方法；铁酸钙载氧体化学链制氢；铁酸钙载氧体化学链二氧化碳裂解；铁酸钙载氧体生物质化学链气化。本书立意新颖、内容丰富、可读性强，不仅可供能源、环境、化工、材料等领域的科技人员参考，也适合于对化学链能源转化技术感兴趣的非专业读者阅读。

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