全球CO2的排放造成温室效应等一系列问题,在我国“2030碳达峰,2060碳中和”的背景下,清洁、绿色、零碳排放已成为世界新能源发展的主流方向。生物质-H2O气化制氢可消耗零碳生物质制备绿色氢能,具有广阔的发展应用空间,但生物质气化过程的焦油的影响、气体组分复杂及氢气产量低是制约其发展的关键问题。为提高生物质-H2O气化的制氢产量,引入过渡金属催化提升制氢效果,而生物质内含有丰富的碱金属和碱土金属（AAEMs）元素,在过渡金属催化过程中表现出明显协同作用。基于上述过渡金属和AAEMs在生物质-H2O气化反应中的协同增效制氢作用和催化机制,本论文以生物质-H2O气化制氢为目的,解耦生物质-H2O气化反应中的生物质热解脱挥发分和生物炭-H2O气化过程,构建过渡金属Ni和碱金属K的多金属催化体系,研究Ni-K-生物炭-H2O相互作用机制,解析其协同催化的本质机理,为外加过渡金属和固含AAEMs协同催化富氢提供一定理论基础。将负载Ni、K的秸秆生物质进行热解实验研究,分析热解生物炭的理化结构性质发现:在生物质热解过程,以离子形式负载在生物质中的过渡金属Ni被生物质脱挥发分阶段的还原性物质（CO、H2）以及热解后的生物炭（C）还原为Ni单质,Ni单质在生物炭中以晶体颗粒形式存在,XRD和HRTEM中显示了Ni（111）、Ni（200）和Ni（220）;Ni单质晶体团簇与热解后的生物炭以较弱相互作用的层状-离域结构相连;负载在生物质有机态的碱金属K在热解过程并未形成晶体结构,以化学键键连的方式高度分散在生物炭的碳基质中。Ni-K的交互作用主要表现在Ni-生物炭-K的间接作用与Ni-K的直接作用:在生物质快速热解和慢速热解过程,Ni-K的直接作用规律基本一致,其交互机理主要是以生物炭为媒介,Ni-生物炭-K间接作用机制为主。Ni-K在负载阶段对生物质含氧活性位点的竞争机制导致热解后的Ni晶粒尺寸偏大;K通过增强含Ni生物炭无序化程度和表面缺陷氧结构来增强生物炭中的反应活性,使得生物炭-H2O更易被催化气化;K可以增强生物炭和Ni的结合能力,模拟计算表明,结合能由311.32 k J/mol增加至354.89 k J/mol,K和碳基面形成了以范德华力为主的弱相互吸引力,和Ni也形成了范德华力增强吸附,使得Ni和生物炭之间更牢固的结合在一起。将含有Ni、K的热解生物炭进行气化实验研究,分析气相产物数据以及固相气化生物炭的理化结构性质发现:生物炭在Ni、K的协同催化作用下可以明显增加气体总产量,K对过渡金属Ni催化生物炭-H2O气化反应的增加产气量主要通过增效气化反应中的炭气化反应消耗固相C来增强CO和H2的产生。K的存在使得生物炭的缺陷、无序度增加,更多的反应活性较差的C也被催化气化,对生物炭的消耗更为完全,导致了气化反应完成后Ni的晶粒尺寸更大,聚合程度更高。生物质固含碱金属K和外加过渡金属Ni在催化气化过程中的作用位置不同:Ni以晶体形式存在,主要以Ni（111）晶面实现对生物炭的刻蚀作用;K分散在碳基质中形成活性位点起到催化作用。Ni晶体在生物炭上具有优异的分散性能,在催化气化中对碳基质的刻蚀作用主要以横向刻蚀为主,存在于碳基质中的K,增强了Ni的垂直刻蚀能力。一方面是因为在Ni向下刻蚀的气固界面处由于K的气化作用（-COK和-CK转换）增加了活性位点;另一方面是因为碳基质内部的K在H2O解离出的OH和H作用下由内向外的过程使得Ni更易垂直刻蚀,同时由于K和Ni对H2O的竞争机制和优异的催化产气性能也抑制了Ni的氧化。采用量子化学模拟Ni、K催化生物炭-H2O反应路径,研究反应过程Ni、K对反应结构的影响机制:生物炭-H2O气化反应的决速步为H转移过程,阻碍气化反应的发生,在K单独催化气化C-H2O的反应路径中,K会抑制OH和H基对π轨道的破坏以及增强C-C的强吸引力,使得H转移过程已不是反应的决速步,C-C键的断裂过程是阻碍K催化气化的关键;在Ni单独催化气化C-H2O的反应路径中,Ni主要表现在对芳环中π轨道的破坏,H转移过程的能垒也相对较低;在K-Ni协同催化气化C-H2O的反应路径中,由于Ni对OH强作用力与K对OH范德华力的竞争机制,导致H转移过程更难发生,在反应中的C-C断裂过程,K对Ni表现直接作用的范德华力增强Ni对C-C键断裂过程的影响。本研究用实验和模拟相结合的方法,研究了生物质固含金属K和外加过渡金属Ni在催化生物质-H2O气化制氢反应中的协同作用机制,为多金属协同催化水蒸气气化碳材料高效制备氢气提供了理论指导。