综述：生物质转化为可再生能源和石化产品的多相催化研究进展

这篇综述系统阐述了多相催化（heterogeneous catalysis）在生物质（biomass）转化为清洁能源（如生物燃料biofuels）和石化产品中的关键作用，重点探讨了沸石（zeolites）、金属有机框架（MOFs）和介孔材料（mesoporous materials）等催化剂的性能优化、技术经济性（techno-economic）和环境效益（CO2减排）。文章为碳中和（carbon neutrality）目标下的催化技术发展提供了重要参考。

　　

引言

全球能源需求持续增长，化石燃料占比仍超80%，但面临资源枯竭和CO₂排放问题。国际能源署（IEA）预测，到2050年能源消耗将增长23%。多相催化作为核心解决方案，可推动生物质转化为燃料（如生物乙醇、生物柴油）和化学品（如芳烃BTX），市场规模达1.5万亿美元，影响全球35%的GDP。

生物质作为清洁能源来源

生物质主要由纤维素（cellulose）、半纤维素（hemicellulose）和木质素（lignin）组成，是唯一可生产液体运输燃料的可再生资源。欧盟66%的可再生能源来自生物质，美国将其列为主要可再生能源。通过热化学转化（如快速催化热解CFP）和生化转化（如发酵），生物质可生成生物油（bio-oil）、合成气（syngas）和高附加值化学品。

催化剂开发与应用

沸石催化剂：如HZSM-5通过碱处理形成分级孔结构，在玉米芯热解中使生物油氧含量降低25%，热值达34.6 MJ/kg。Co/HZSM-5催化生物乙醇转化时，C₅+烃类选择性超79%。
金属有机框架（MOFs）：如ZIF-8和HKUST-1具有超高比表面积（达10,000 m²/g），Ru/NC3催化剂在乙酰丙酸加氢中实现97%收率。
介孔材料：SBA-15负载Ni-Mo后，在合成气转化中甲烷选择性达89%且稳定性优异。

经济与环境评估

• 技术经济性：催化加氢生产生物汽油的投资回报率达15.8%，而酶催化因成本过高需将酶价控制在60美元/kg以下。
• 生命周期分析（LCA）：热解（pyrolysis）的净能量比（NER）为2.45，但温室气体排放达265 g CO₂/MJ；厌氧消化（AD）无预处理时排放为-173 g CO₂/MJ，凸显环境优势。

挑战与展望

挑战：催化剂失活（如积碳coking）、高能耗（需800°C煅烧）及规模化障碍（如反应器设计）。
前沿方向：

1. 单原子催化剂（SACs）：Co-SACs在木质素解聚中单酚收率41.7%，Gibbs自由能更低。
2. 离子液体（ILs）：[BMIM]Cl与CrCl₃组合可将纤维素高效转化为5-羟甲基糠醛（5-HMF，收率71.6%）。
3. 光电催化：Sn基电催化剂将CO₂转化为乙酸盐的选择性超90%。

结论

多相催化通过材料创新（如分级沸石、MOFs）和过程优化（如原位表征技术），正推动生物质能源向工业化迈进。未来需结合机器学习（machine learning）和密度泛函理论（DFT）设计高性能催化剂，同时整合可再生能源（如太阳能驱动光催化）以实现碳中和目标。