CO2介导小麦秸秆热解实现碳负排放的潜力评估与催化优化研究

本研究针对农业废弃物小麦秸秆(WS)热解过程中碳利用效率低的问题，创新性引入CO2作为部分氧化剂和碳源，通过镍催化体系在≥430°C下将挥发分转化为CO，实现1260 mg CO2/g WS的碳负排放潜力，为农业领域年减排12.35亿吨CO2提供技术路径。

　　

随着全球碳排放量在2022年达到36.3吉吨CO₂-当量(Gt CO₂-eq)，远超地球24.2 Gt CO₂-eq的同化能力，寻找可持续的碳减排技术迫在眉睫。农业废弃物小麦秸秆(WS)作为年产量达9.8亿吨的可再生资源，其传统处理方式存在碳利用率低、 lignin(木质素)难降解等问题。韩国研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表的研究，开创性地将CO₂引入WS热解过程，通过催化体系重构碳流向，实现了"变废为宝"的突破。

研究采用热重分析(TGA)结合气相色谱(GC)技术，系统考察了WS在CO₂氛围下的热解行为。通过负载型镍催化剂(Ni/Al₂O₃)的制备与表征，结合反应温度(300-700°C)和CO₂浓度梯度实验，优化了合成气(H₂+CO)产率。能量平衡分析采用热力学计算模型，碳足迹评估则基于生命周期评价(LCA)方法。

【Thermal degradation fates of WS】
热重分析揭示WS三大组分(纤维素、半纤维素、木质素)的差异热解特性。在CO₂氛围下，≥430°C时出现显著质量损失拐点，证实CO₂与热解挥发分的均相反应生成CO，该温度较传统认知的CO₂氧化阈值(800°C)大幅降低。

【Catalytic effects on pyrolytic products】
镍催化剂使CO产率提升217%，同时将生物油含氧量降低39%。通过调整CO₂/N₂比例至3:1，实现合成气中CO占比达68vol%，高位发热量(HHV)提高至14.7 MJ/m³。

【Carbon-negative potential】
在最优条件下(600°C, 30% Ni负载量)，系统净吸收1260 mg CO₂/g WS，其中生物炭的碳封存贡献率达54%，合成气能源回收效率达82%。按全球WS产量推算，年减排潜力相当于2022年全球排放量的3.4%。

该研究首次证实CO₂在中等温度区间的反应活性，通过"碳捕获-转化-封存"(CCUS)三位一体策略，将农业废弃物转化为高值能源产品。Jechan Lee团队开发的镍催化体系突破传统热解局限，为碳中和目标提供了可规模化的技术方案。特别值得注意的是，该工艺与现有石油基设施兼容，大幅降低产业化门槛，其碳负排放特性更可产生碳汇经济价值。未来通过耦合光伏/风电等可再生能源供热，有望实现全生命周期"负碳"目标。