全球每年产生超百亿吨农业废弃物，传统焚烧处理加剧碳排放与环境污染。如何将秸秆、竹材等生物质“变废为宝”？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》发表里程碑研究，首次阐明钾（K）、钠（Na）盐阴离子对生物质热解产物的精准调控规律，发现碳酸盐（K₂CO₃、Na₂CO₃）可同步提升焦炭产率、孔隙率及生物油中高值化学品含量，为生物质能“分级炼制”提供科学蓝图。

生物质炼制的“三难困境”：产物难控、品质难优、价值难提

生物质热解可将有机废弃物转化为气、液、固三相产物，但技术瓶颈突出：

• 生物油：含水量高达50%，含氧量高，热值仅为化石燃油的1/3；
• 焦炭：孔隙率低（通常<10 m²/g），难以匹配活性炭市场需求；
• 燃气：CO₂占比超40%，热值不足10 MJ/Nm³，经济性差。

研究团队突破传统思路，提出“高剂量碱金属盐催化”策略：向竹材、纤维素中添加20 wt%的K、Na盐，通过阴离子差异调控热解路径，实现产物定向升级。

阴离子“指挥棒”：氯化物、硫酸盐、碳酸盐的催化擂台

实验发现，不同阴离子的K、Na盐对产物调控效果迥异：

1. 氯化物（KCl、NaCl）：

• 轻微促进纤维素吡喃环开环，生物油中呋喃类物质含量提升至17.3%；
• 对焦炭孔隙率无显著影响，碳含量保持85 wt%左右。

2. 硫酸盐（K₂SO₄、Na₂SO₄）：

• 促进挥发分二次裂解，气体产率提升1.5-2.3 wt%，CO₂生成量增加0.2-0.7 mmol/g；
• 焦炭中芳醚键（C-O-C）含量上升，孔隙率仅微增至21.9 m²/g。

3. 碳酸盐（K₂CO₃、Na₂CO₃）：

• 焦炭革命：产率提升3.5 wt%，碳含量增至89 wt%；比表面积飙升至116.8 m²/g，微孔占比达87.2%，媲美商业活性炭；
• 气体转型：H₂产率从3.5%跃升至17.8%，CO₂生成量翻倍，为碳捕集与绿氢联产奠定基础；
• 生物油升级：苯系化合物占比从44.3%提升至78.2%，4-乙基苯酚等高值化学品显著富集。

分子手术刀：碳酸盐如何重构热解路径？

通过原位红外、X射线衍射（XRD）与密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示碳酸盐的催化奥秘：

1. 吡喃环精准切割：K⁺、Na⁺攻击纤维素吡喃环氧原子，触发开环反应，生成线性酮类中间体；
2. 脱氧-芳构化串联：中间体经脱羧（生成CO₂）、脱氢（生成H₂）后，环化形成环戊酮，进一步缩聚为多环芳烃结构焦炭；
3. 酸中和效应：CO₃²⁻与生物质热解生成的乙酸反应，减少生物油含水量（从39.8%降至37.7%），提升油品稳定性。

“这如同在分子层面安装‘导航系统’，引导生物质碎片定向转化为目标产物。”论文第一作者杨海平教授形象比喻。

三重变革：从“一把火烧”到“分级高值化”

该技术有望重塑生物质能产业格局：

1. 焦炭替代活性炭：以竹材焦炭处理废水，成本可降低40%，年潜在市场规模超50亿元；
2. 生物油炼化：苯系化合物可提取医药中间体，替代石油基原料，单吨附加值提升3000元；
3. 绿氢联产：富氢燃气（H₂占比17.8%）可直接用于燃料电池或合成绿氨，助力交通与农业脱碳。

测算显示，若我国每年9亿吨秸秆采用该技术处理，可年产高值焦炭1.8亿吨、绿氢540万吨，减排CO₂约7.2亿吨。

产业化攻坚：成本、设备与工艺协同创新

尽管前景广阔，技术落地仍需突破三大关卡：

1. 催化剂循环：开发水浸法回收K₂CO₃工艺，降低单次使用成本；
2. 抗腐蚀反应器：针对碳酸盐高温腐蚀特性，研发镍基合金或陶瓷内衬反应装置；
3. 联产工艺优化：构建焦炭-生物油-燃气联产系统，提升全链条经济性。

团队透露，已与环保企业合作建成百吨级中试线，焦炭吸附性能达市售活性炭的85%，成本仅为1/3。

这项研究不仅破解了生物质热解产物的“调控密码”，更开辟了农业废弃物资源化利用的新赛道。当每一根竹材都能通过“分子炼金术”蜕变为高值材料，碳中和目标的实现将再添一把“绿色密钥”。

来源: 化学工程前沿FCSE