氮掺杂水热碳催化松木热解选择性制备烷氧基苯酚的研究

本文针对生物质热解产物升级与清洁能源生产需求，研究团队通过氮掺杂水热碳催化剂开发，实现了松木热解过程中烷氧基苯酚的高选择性合成。该研究创新性地将催化材料设计与生物质转化相结合，显著提升目标产物产率，为生物质高值化利用提供了新策略，对推动可再生能源技术发展具有重要意义。

　　

全球能源需求持续增长与化石燃料使用导致的碳排放问题日益严峻，寻找可持续的清洁能源解决方案成为当务之急。氢能（H₂）因其高热值（～142 kJ/g）和零碳排放特性被视为未来能源载体，但当前94%的氢生产仍依赖化石燃料，年排放CO₂超900 Mt。生物质作为唯一可直接转化为液体燃料的可再生碳源，其热化学转化技术成为研究热点，其中热解（Pyrolysis）因操作条件温和、产物多样等优势备受关注。

研究人员聚焦生物质热解产物的催化升级，系统研究了氮掺杂水热碳（Nitrogen-doped hydrothermal carbon）催化剂对松木热解产物选择性转化的调控机制。通过优化催化剂结构与反应条件，成功实现烷氧基苯酚（alkoxyphenol）的高选择性制备，产物中H₂浓度显著提升。该成果发表于《Biomass and Bioenergy》，为生物质定向转化提供了新材料体系和技术路径。

研究采用多尺度技术方法：1）水热法制备氮掺杂碳催化剂；2）固定床反应器进行松木催化热解；3）气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析产物分布；4）催化剂表征（XRD、XPS等）建立构效关系。通过系统考察温度、空速等参数，阐明催化剂表面含氮官能团对反应路径的调控机制。

【研究结果】

1. 生物质热解特性：阐明纤维素、半纤维素和木质素三大组分在不同温度区间的热解行为，确定450-600°C为液体产物最佳窗口。

2. 催化剂性能：氮掺杂使碳材料表面形成吡啶-N和石墨-N活性位，促进C-O键选择性断裂，烷氧基苯酚选择性达78%。

3. 反应机理：同位素示踪证实催化剂通过脱水-脱羧串联反应促进H₂生成，H₂产率较传统镍基催化剂提升40%。

4. 过程集成：提出两段式热解-重整工艺，实现焦油原位转化，系统能效较单独热解提高25%。

研究通过STEEP（社会-技术-环境-经济-政治）框架分析指出，该催化剂体系兼具低成本（<$50/kg）和长寿命（>500h）优势，技术成熟度（TRL）达5级。讨论部分强调，该工作突破传统生物油需复杂提纯的瓶颈，通过"一步法"直接获得高附加值化学品，为分布式生物质炼制提供可能。

结论指出，氮掺杂碳催化剂通过精准调控反应界面特性，实现生物质分子键的选择性活化，这一"材料-过程"协同策略对发展下一代生物精炼技术具有普适意义。未来需重点解决催化剂规模化制备与反应器放大问题，推动技术向TRL7-8级迈进。