你知道吗？每吨玉米芯、稻壳等农林废弃物，通过生物炭催化剂可转化为188立方米甲烷气，或82%纯度的高价值苯酚——这不是科幻场景，而是我国湖南林科院、湖南大学团队最新研究成果。近日发表于《Frontiers of Energy》的论文显示，通过金属复合、酸碱改性、氮掺杂等技术修饰生物炭，可让生物质热解产物的目标选择性提升3-8倍，成本较传统催化剂降低60%，为生物燃料和高价值化学品的规模化生产开辟绿色路径。

能源危机遇上“垃圾围城”，生物炭如何“一箭双雕”？

面对化石能源枯竭与“垃圾围城”双重挑战，全球每年18亿吨农林废弃物（如秸秆、竹屑、果壳）的资源化利用成为焦点。传统生物质热解技术虽能将其转化为生物油、合成气，但产物成分复杂如“一锅乱炖”——甲烷纯度不足50%，苯酚等化学品含量低于20%，分离提纯成本占总成本的55%。

“生物炭就像‘绿色催化剂’，既能消化废弃物，又能定向生产高价值产物。”研究团队解释，生物炭是生物质在缺氧条件下热解的固体产物，自带丰富孔隙和官能团（如羟基、羧基），好比“天然的催化反应场”。但未经修饰的生物炭活性低，需通过改性“升级”。

给生物炭“做美容”：三种改性策略提升活性8倍

研究团队开发三大改性技术，为生物炭打造“定制化活性中心”：

• 金属“活性补丁”：将镍（Ni）、铁（Fe）等金属离子通过浸渍法嵌入生物炭，如同“给催化剂装上新引擎”。例如，10%Ni掺杂的稻壳生物炭，在600℃下催化芦苇热解，甲烷产率达188 L/kg，是未改性生物炭的3倍；0.4 mol/L Fe(NO3)3处理的玉米芯生物炭，苯酚选择性提升16.45%，且抑制多环芳烃生成。
• 酸碱“疏通血管”：用H3PO4或KOH活化生物炭，打通其内部孔隙。实验显示，KOH处理使生物炭比表面积从80 m²/g增至230 m²/g，孔隙体积扩大2.8倍，就像“把狭窄小巷拓宽成双向车道”，让反应物更容易接触活性位点。用这种方法制备的催化剂，环己醇转化率达99.9%，且循环10次后活性保持81.6%。
• 氮原子“电子调节器”：通过尿素、氨气等氮源掺杂，改变生物炭的电子环境。氮掺杂生物炭中的吡啶-N、吡咯-N位点，能像“电子开关”一样优化中间体吸附强度。例如，NH3处理的竹屑生物炭，苯酚总选择性达82%，其中高价值4-乙烯基苯酚占31%；用于CO2甲烷化时，甲烷选择性更是高达99%。

从实验室到生产线：每吨废弃物增值超千元

这些改性生物炭已在多项中试中验证效果：在生物柴油生产中，硫酸改性棕榈壳生物炭催化效率达94.91%，成本仅为传统硫酸催化剂的1/3；氮掺杂生物炭催化CO2制乙醇时，关键中间体COOH*吸附能降低0.3 eV，反应速率提升2倍。

“按每吨农林废弃物转化400元计算，使用改性生物炭后，产物附加值可提升至1500元以上。”研究团队表示，目前正优化微波辅助热解工艺，目标将生产周期从8小时缩短至2小时，推动技术产业化。

来源: FIE能源前沿期刊