生物质作为唯一可再生的碳源，其高效利用是碳中和目标的关键一环。然而，传统生物质热解技术面临产物选择性低、焦炭质量差等难题。近日，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室杨海平、陈汉平团队在《化学科学与工程前沿》发表突破性研究，首次系统揭示不同阴离子的钾（K）、钠（Na）盐对生物质热解的催化规律，发现碳酸盐（K₂CO₃、Na₂CO₃）可显著提升焦炭产率并优化气液产物组成，为生物质能高值化利用提供全新解决方案。

生物质热解之困：从“粗放燃烧”到“精准调控”

生物质热解可将秸秆、竹材等转化为生物油、燃气和焦炭，但其产物分布复杂：

• 生物油含水量高（可达50%）、成分复杂，难以直接利用；
• 焦炭孔隙率低、碳含量不足，限制其在吸附、储能等领域的应用；
• 燃气热值低（通常低于10 MJ/Nm³），需进一步提质。

传统研究多关注生物质中天然低含量（<2 wt%）的碱金属（K、Na），但其调控效果有限。杨海平团队另辟蹊径，通过人工添加高比例（20 wt%）碱金属盐，实现产物分布的“分子级精准调控”。

催化剂筛选：碳酸盐“脱颖而出”

研究团队选取竹材和纤维素（生物质模型化合物），对比氯化物（KCl、NaCl）、硫酸盐（K₂SO₄、Na₂SO₄）和碳酸盐（K₂CO₃、Na₂CO₃）的催化效果，发现：

1. 氯化物与硫酸盐作用有限：仅轻微促进气体产率（提升1.5-2.3 wt%），对焦炭质量影响甚微；
2. 碳酸盐表现卓越：

• 焦炭产率提升1.7-3.5 wt%，碳含量从85 wt%增至89 wt%；
• 孔隙率飙升：K₂CO₃使竹材焦炭比表面积从8.6 m²/g跃升至116.8 m²/g，媲美商用活性炭；
• 气体组分优化：CO₂和H₂产率翻倍，燃气热值虽降低，但富氢特性利于后续合成氨或燃料电池应用。

催化机制揭秘：双路径驱动产物升级

通过原位表征和理论计算，团队揭示碳酸盐的独特作用机制：

1. 促进裂解：K⁺、Na⁺加速纤维素吡喃环开环，生成线性中间体，进一步脱氧生成CO₂和H₂；
2. 芳构化诱导：中间体经脱氢、环化形成环戊酮和苯系化合物，后者聚合为高碳焦炭；
3. 酸中和反应：碳酸盐与生物质中的乙酸反应，减少生物油含水量，提升产物稳定性。

应用前景：从“废弃物”到“高值产品”

这项技术的突破为生物质能产业带来三重机遇：

1. 焦炭高值化：高孔隙焦炭可替代活性炭用于污水处理或储能材料，降低工业成本；
2. 燃气提质：富氢燃气可作为合成氨原料，助力绿氢产业链；
3. 生物油升级：苯系化合物含量提升至78.2%，为医药、农药中间体提供廉价原料。

以年产10万吨生物质处理规模估算，K₂CO₃催化工艺可多产焦炭3500吨，减排CO₂约5万吨/年。

挑战与未来：迈向工业化落地

尽管成果显著，规模化应用仍需突破：

1. 催化剂回收：碳酸盐需从焦炭中浸出循环使用，否则增加成本；
2. 热解工艺适配：现有反应器需改造以适应高盐环境，防止设备腐蚀；
3. 经济性优化：探索低比例碳酸盐（如5 wt%）的协同效应，平衡产物质量与成本。

“我们正与企业合作开发连续式热解中试装置，”论文通讯作者陈自岳表示，“目标3年内建成万吨级示范线，推动生物质能从‘实验室创新’走向‘工业革命’。”

这项研究不仅为生物质热解提供了“催化剂设计手册”，更标志着我国在生物质能催化领域跻身国际领先行列。当竹材与秸秆通过“分子手术”变身高值材料，一场农业废弃物驱动的绿色变革正悄然开启。

来源: 化学工程前沿FCSE