Reduction kinetics and carbon deposit for Cu-doped Fe-based oxygen carriers: role of Cu
Reduction kinetics and carbon deposit for Cu-doped Fe-based oxygen carriers: role of Cu
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铜掺杂铁基氧载体的还原动力学和碳沉积：铜的作用
DOI：
10.1016/j.ces.2021.117406
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发表时间：
2021-12
影响因子：
4.7
通讯作者：
Zhiwu Liang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Guida Li;Wenxing Yao;Yunlei Zhao;Bo Jin;Jianyong Xu;Yu Mao;Xiao Luo;Zhiwu Liang
结合宏观动力学模型和密度泛函理论（DFT）计算，研究了Cu掺杂Fe基载氧体的还原动力学和碳的形成，揭示了Cu在其中所起的作用.与未掺杂的Fe-Zr氧载体相比，1 mol% Cu掺杂提高了前两个反应（Fe 2 O3 → Fe 3 O 4（R1）和Fe 3 O 4 → Fe 1-xO（R2））的还原速率，并阻碍了碳的形成。这是由于Cu掺杂降低了R1和R2的活化能（即R1：90.6 → 56.5 kJ·mol-1，R2：225.9 → 192.2 kJ·mol-1），增加了还原材料表面碳-碳链的形成能。晶粒模型表明，Cu掺杂促进了体材料中氧离子的迁移，提高了R1和R2的还原反应速率常数。而R3（Fe_（1-x）O → Fe）的活化能较高，这是因为随着还原反应的进行，氧空位的形成变得更加困难。
By combining macroscopic kinetic modeling and density functional theory (DFT) calculations, reduction kinetics and carbon formation of Cu-doped Fe-based oxygen carriers are investigated to reveal the role played by Cu. Compared to undoped Fe-Zr oxygen carrier, 1 mol% Cu dopant enhances reduction rate in the first two reactions (Fe2O3→ Fe3O4(R1) and Fe3O4→ Fe1-xO (R2)) and hinders carbon formation. This is a result of Cu doping reducing the activation energies ofR1andR2(i.e.R1: 90.6 → 56.5 kJ∙mol−1,R2: 225.9 → 192.2 kJ∙mol−1), and increasing the formation energy of carbon–carbon chain on the surface of reduced material. Grain model indicates that Cu dopant promotes oxygen ion migration in bulk material and improves reduction reaction rate constant inR1andR2. However, higher activation energy is found forR3(Fe1-xO → Fe), because the formation of an oxygen vacancy becomes harder as the reduction reaction processes.
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