氢能，具有能量密度高、清洁无污染等优点，符合人们对未来能源的要求。以生物质乙醇为原料制取氢气，不仅可以促进生物质能源的开发与利用，还能够缓解目前制氢工艺对化石能源的依赖。吸附强化重整制氢，通过原位捕获CO2可以一步制取高纯H2，并实现CO2的捕集，是一种极具应用前景的新型制氢技术。目前，CaO基吸附剂和Ni基催化剂在强化乙醇蒸气重整制氢体系中最具发展潜力，但如何提高CaO基吸附剂的循环性能以及Ni基催化剂的抗积碳能力仍是发展该工艺面临的主要任务。此外，制备吸附位点与催化位点在分子水平均匀混合的双功能材料，能够进一步增强吸附强化重整制氢过程效果，这也是吸附强化制氢领域的研究重点。基于此，本文从增强CaO基吸附剂的碳酸化性能、双功能材料的合成与优化以及改善Ni基催化剂的抗积碳能力等方面着手，开展了详细的理论与实验研究。
　　首先，采用溶胶法制备了Al、Mg、Zr、Na等四种金属改性CaO基吸附剂，通过碳酸化性能测试，形貌结构表征与密度泛函理论(DFT)计算相结合揭示了金属化合物调控CaO基吸附剂碳酸化性能的作用机制。结果显示，Al改性吸附剂具有较大的初始吸附容量归因于其具有最大的比表面积从而可以提供更多的活性位点。Na 改性吸附剂的比表面积最小，颗粒致密且表面光滑少孔，相应的初始碳酸化能力最差。Zr改性后尽管比表面积有所降低，但Zr改性显著提高了CaO表面与CO2的反应活性，同样提高了吸附剂的碳酸化能力；Al或Zr改性可以显著抑制纳米颗粒中的原子移动从而提高抗烧结能力；Mg改性后抑制颗粒迁移的能力也有所增强，但不如Al和Zr明显；Na改性反而会促进纳米颗粒的迁移，加重吸附剂的烧结。以上结果表明，金属化合物改性可以通过影响CO2分子在吸附剂中的扩散传递能力、CO2与表面的结合能力以及 CaO 晶粒的迁移能力等多种方式调控碳酸化性能，最终的碳酸化性能取决于以上几方面的叠加。综合各方面来看，Al是更为适宜的金属改性元素。
　　详细考察了Al改性对吸附剂碳酸化动力学的影响，Al改性吸附剂在严苛条件下的循环稳定性及Al添加方式对循环稳定性的影响。结果表明，Al改性可以降低CaCO3的再生分解温度，而且降低程度随Al含量提高而增加。与纯CaO相比，Al改性吸附剂在碳酸化反应的快速阶段和慢速阶段的活化能均有所降低。Al改性抑制了高温过程中CaO的烧结，并且抗烧结能力随Al含量的增加而提高。在更高煅烧温度或高浓度CO2煅烧气氛下，Al改性吸附剂循环稳定性下降，但是仍优于纯氧化钙基吸附剂。此外，Al改性抗烧结的效果与Al元素在吸附剂中的分布均匀程度密切相关。与干混合方法相比，溶胶凝胶法制备的吸附剂中 Al 元素在循环后仍保持高度分散，从而具有更稳定的抗烧结性能。
　　进一步地，采用分子动力学方法模拟了纳米CaO颗粒的烧结过程，并对Al2O3添加抑制纳米CaO颗粒烧结的微观机制进行了分析。结果表明，纳米颗粒的烧结过程可明显分为烧结颈形成阶段、烧结颈快速生长阶段、以及烧结颈慢速生长阶段。温度越高，烧结颈生长持续时间越久，将导致更大宽度的烧结颈形成。与大颗粒相比，小颗粒中的原子在烧结过程中具有更高的迁移活性，这是由于小颗粒中的原子更容易发生熔化，而无论大小颗粒，颗粒表层原子比内部原子更容易迁移扩散。添加Al2O3提高了CaO纳米颗粒中原子的迁移活化能，抑制了烧结过程中CaO颗粒中的原子扩散从而降低了其烧结程度。
　　随后，基于溶胶法合成了Ni-CaO/Al2O3双功能材料，并对其CO2吸附性能及重整制氢性能进行评价。双功能材料中的Ni、Al组分分别起到促进和抑制CaO烧结的作用，当Al2O3含量为4.5%时材料具有最佳的碳酸化性能，继续增加Al2O3含量可以进一步提升循环稳定性，但也会大幅降低吸附剂的转化率。与传统的乙醇蒸气重整制氢相比，吸附强化重整显著提高了产物中的H2浓度，其中10Ni85.5Ca4.5Al双功能材料的强化效果最好，H2浓度达到96%左右，比非强化重整提高了20%以上，并且强化时间也最为持久。与传统与机械混合方式相比，双功能催化材料的穿透前期持续更久，是一种更为高效的混合方式。
　　最后，基于密度泛函理论通过考察钙添加对活性C原子生成速率、迁移与团聚速率以及消除速率等方面的影响，评估双功能材料的抗积碳性能。结果表明，钙原子添加降低了活性碳原子的形成难度。但与此同时，钙添加也明显抑制了C原子的迁移成核，并且使得C 原子消除速率呈几何倍数增长。而且钙添加明显提高了H2O的解离速率，为积碳的消除提供更充足的含氧物种。综合C原子生成速率与消除速率的平衡结果来看，双功能材料中的钙组分可以增强镍组分的抗积碳能力。