全球气候变化和能源消耗的增加使得开发清洁、高效、可持续的能源供应系统变得迫切[1]。氢气（H2）是一种有前景的清洁能源载体，有助于实现碳中和。H2主要通过化石燃料和可再生能源生产[2]。随着对H2需求的增加，传统H2生产技术的局限性日益凸显。基于可再生能源的高效H2生产技术已成为当前的研究重点。
生物质是生产H2的非常有前途的原料。生物质可以通过热化学技术转化为多种产品[3]。生物质的热液液化（HTL）会产生生物油、固体残渣、不可凝气体以及溶解在水相中的有机物（AP）。HTL通常在523至647 K的温度和40至220巴的压力下进行[4]。HTL产生的AP副产物中含有20%至40%的有机物和60%至80%的养分[5]。AP副产物中的一些化合物（如呋喃、吡啶和酚类）具有毒性，可能对水生环境和土壤肥力产生负面影响[6]。直接排放AP副产物可能会恶化环境。此外，HTL过程不仅仅是简单的生物质分解过程，还涉及生物质成分的显著脱氧过程[7]，在此过程中生物质中的80%的氧气会被去除[8]。因此，HTL产生的AP副产物具有较低的O/C比，这对H2生产具有显著优势。
从HTL中回收的AP副产物含有多种有毒和有害物质，可归类为废水[9]。一种有效的从废水中生产H2的方法是水相重整（APR）。APR通常在温和的温度（220–270°C）和压力（30–60巴）下进行[10]。在这种条件下，反应发生在液相中，避免了能耗较高的蒸发过程。与传统热化学气化相比，APR具有能耗低、操作简单和污染少的特点。因此，APR是一种高效且经济可行的从废水中生产H2的绿色技术[11]。APR的反应机理很大程度上取决于所使用的重整底物和催化剂。常见的反应步骤包括脱氢（O–H、C–H键的断裂）、C–C键断裂、通过C–O键断裂实现氢脱氧、甲烷化以及水煤气变换反应[12]。传统的单一APR工艺存在几个固有缺陷。首先，生物质衍生的含氧化合物的C–C键断裂不完全，导致H2产量低且液体中间产物积累[13]、[14]、[15]。相比之下，级联APR通过逐步重整提高了C–C键断裂的效率，从而增加了H2产量并减少了中间产物的积累。其次，单一APR无法完全转化AP副产物中的有机物。而级联APR能有效将AP副产物中的有机物转化为H2，提高了H2产量。第三，在热液条件下，催化剂由于烧结、中毒和碳沉积而失活是一个主要挑战[16]。相比之下，级联APR可以通过在多个级联中分散反应负荷并优化局部反应环境来减轻催化剂失活问题。
CeO2表面的氧空位促进了碳酸盐等中间产物的形成[17]。Ce3+/Ce4+的可逆转化有利于金属与载体之间的电荷转移，从而提高了催化活性[18]。此外，CeO2具有不同结构的晶面，为反应提供了不同的接触界面和活性位点[19]、[20]。基于这些特性，CeO2被广泛用作氧储存材料[21]、有机合成[22]、[23]、光催化[24]、[25]、电催化[26]等领域的载体或活性中心[28]。由于其快速释放和储存氧的能力，CeO2还能抑制APR反应中Ni催化剂产生的碳沉积。同时，CeO2可能与Ni催化剂发生相互作用，其含量会影响Ni/CeO2催化剂的粒径及其在载体上的分散情况。
AP副产物中的高有机物含量可能会阻碍APR反应，第一级级联APR可能无法完全转化有机物。木质纤维素基生物质的COD值范围为40–110克/升，非木质纤维素基生物质的COD值范围为12–160克/升[3]。AP副产物的总有机碳（TOC）值通常在2至35克/升之间[29]。与传统单一APR工艺相比，级联APR能够逐步转化复杂的有机化合物，减少了难处理中间产物的积累并提高了H2产量。
大多数先前的APR研究主要集中在单一重整系统或模型氧化合物上，而对实际HTL产生的AP副产物的级联APR关注较少[30]、[31]。此外，重复级联APR过程中难处理中间产物的转化行为及其对H2产量的影响尚不完全清楚。因此，本研究回收AP副产物用于生产H2，并研究了级联APR过程中的有机转化，从而开发了一种同时回收H2和转化有机物的高效策略，具有重要的科学和实际意义。
本研究调查了从HTL中回收的AP副产物的级联APR过程。首先，使用体积浸渍法制备了不同Ni含量的Ni/CeO2催化剂（xNi/CeO2）用于APR H2生产。随后，将AP副产物作为原料用于三级级联APR过程。研究了反应条件（包括反应温度、停留时间、Ni负载量和催化剂用量）对三级级联APR的影响，并优化了反应条件。此外，还基于COD、TOC和GC–MS结果分析了级联APR过程中有机化合物和H2产量的变化。
