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随着化石燃料的逐渐枯竭以及地缘政治冲突的加剧，开发可再生能源变得至关重要。生物质能源因其独特优势备受关注，而木质素作为木质纤维素生物质的重要组成部分，其热解机制复杂。研究人员利用 ReaxFF 分子动力学模拟研究硬木木质素热解行为，明确了气体产物分布等，为优化热解过程奠定基础。
在当今能源领域，化石燃料的日益匮乏和地缘政治冲突的不断升级，如同高悬的达摩克利斯之剑，严重威胁着全球的能源安全。与此同时，环境问题也愈发严峻，传统能源使用带来的碳排放等问题让人们不得不加快寻找可再生能源的步伐。生物质能源凭借其广泛的来源、碳中和特性以及可再生性，成为了能源领域的一颗希望之星。
木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。其中，木质素以其复杂的交联结构和丰富的芳香化合物，在生物质热化学转化过程中占据着关键地位。然而，正是这种复杂结构，使得对木质素热解机制的研究困难重重。尽管此前众多学者从不同角度对木质素热解进行了探索，例如研究不同木质素类型热解产物分布差异、对比纤维素与木质素热解特性、分析热解过程中酚类化合物浓度变化等，但木质素热解时的键断裂、自由基反应机制，以及主要气态产物和焦炭的生成路径，仍如同迷雾一般，尚未被完全揭开。
为了驱散这层迷雾，来自国内的研究人员展开了深入研究。他们构建并优化了硬木木质素的分子模型，运用反应分子动力学模拟（ReaxFF MD）技术，对硬木木质素在 2200 - 3000K 温度范围内的热解行为进行了全面探究。此次研究成果意义重大，为优化硬木木质素热解过程提供了关键理论依据，相关论文发表在《Biomass and Bioenergy》上。
在研究方法上，研究人员主要运用了两项关键技术。首先是构建模型，利用 Materials Studio 2019 构建了包含 20 条链、共 11760 个原子的大规模硬木木质素模型（C4540H5360O1860）。其次是模拟技术，采用 ReaxFF MD 模拟硬木木质素热解过程，通过模拟结果与实验数据对比验证模型的可靠性。
研究结果如下：
- 气体产物分布：热解过程中，H2和 CO 的产量稳步上升；轻烃气体在较低温度下呈持续增长趋势，但之后出现变化。
- 主要气体物种生成途径：羟基（-OH）、甲氧基（-OCH3）和苯环是 H2形成的主要氢源；甲氧基、羟基和连接键则是 CO 中氧原子的主要贡献者。
- 键、苯环、β-O-4 键和官能团的演变：热解过程中，初始的 β-O-4 键、甲氧基和羟基数量持续减少。
- 焦炭形态及生长：焦炭的生长主要是由碳链延伸以及与其他碎片结合所驱动。
- 动力学分析：估算出硬木木质素热解的活化能为 113.42 kJ/mol。
研究结论表明，通过 ReaxFF MD 模拟，详细揭示了硬木木质素热解机制。明确了热解过程中各物质的变化规律，为后续深入理解生物质热解反应提供了重要参考。这一研究成果有助于优化热解工艺，提高生物质能源转化效率，对推动生物质能源的实际应用具有重要意义。同时，该研究也为进一步探索木质素热解的其他未知领域奠定了坚实基础，有望在未来促进生物质能源领域取得更多突破，缓解全球能源压力，助力实现碳中和目标。
