热解过程中生物质微观形变与化学组分演变的协同机制及其对生物炭结构调控的启示

本研究通过CT和FIB-TEM联用技术，揭示了生物质热解过程中纤维素/半纤维素流动性导致的孔隙压缩与木质素高温分解引发的管壁薄化规律，阐明了生物炭"高孔隙-高密度"协同结构的形成机制，为生物炭标准化生产和高值化应用提供了理论支撑。

　　

生物炭作为重要的碳封存和土壤改良材料，其全球市场规模预计在2025年达到33亿美元。然而，原料来源、碳化工艺和应用条件的差异导致生物炭存在显著的物理结构和化学组成异质性，这严重制约了其高值化和大规模应用。目前研究多聚焦于生物质化学组分的热解行为，但对原始物理结构演变及其与化学变化的关联机制仍不清楚。中国的研究团队通过多尺度表征技术，首次系统揭示了生物质热解过程中的结构形变规律与化学组分演变的协同机制。

研究采用计算机断层扫描(CT)和聚焦离子束-透射电镜(FIB-TEM)联用技术，结合热重质谱(TG-MS)分析。以新疆博乐市棉秆木质部为研究对象，在300-800°C温度梯度下制备生物炭样本，通过三维X射线显微镜非破坏性监测孔隙网络演变，利用FIB制备超薄切片观察纳米级骨架结构变化，并借助TG-MS解析化学组分热解行为。

3.1 生物质热解过程中的形变特征
CT分析显示：400°C热解时材料总体积收缩41.4%，其中骨架体积减少29%而孔隙体积骤降58%，密度降至原始值的62.1%；800°C时骨架进一步收缩43%，管壁薄化使孔隙率回升至39.2%。这种"先压缩后恢复"的孔隙演变形成了独特的"高密度-高孔隙"协同结构。

3.2 碳骨架的纳米级演变
FIB-TEM首次揭示：300°C时生物质组分流动性填充微纤维层间空隙；400°C出现20μm^-2密度、50-200nm大小的黑斑（木质素热解起始特征）；600°C黑斑中心形成规则圆孔；800°C时仅存20-40nm的浅圆坑，证实木质素完全热解。

3.3 热解机制解析
TG-MS显示：低温阶段（<400°C）纤维素/半纤维素解聚释放H₂O、CO₂等小分子，组分流动性导致三维收缩；高温阶段（400-800°C）木质素芳环取代基转化持续释放CO，形成纳米级圆坑。木质素在骨架中的均匀分布避免了局部挥发形成大孔，这是生物炭保持植物原型结构的关键。

该研究首次建立了生物质化学组分演变与物理形变的关联模型：纤维素/半纤维素的流动性决定宏观收缩行为，木质素的高温分解特性调控微观缺陷形成。这一发现不仅解释了生物炭结构异质性的成因，更启示通过调控热解路径可定向设计"仿生多级孔"碳材料。研究提出的"组分-结构"协同调控机制，为生物炭标准化生产提供了理论依据，对开发基于结构特性的高值化应用（如催化剂载体、储能材料）具有重要指导意义。论文创新性地将材料形变研究与热化学分析相结合，发表于能源领域顶级期刊《Fuel》。