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为解决木质素难以高效转化为高附加值产品的问题，研究人员开展了利用离子交换分级 H-ZSM-5 和 H-Beta 沸石催化木质素热解的研究。结果表明该方法可生产高附加值酚类化合物，有助于生物质的充分利用和生物炼制产业发展。
在当今追求可持续发展的时代，生物质资源的高效利用成为了科研领域的热门话题。木质素作为木质纤维素生物质的重要组成部分，广泛存在于各类植物中。然而，它就像一把难以打开的 “宝藏锁”，由于其复杂的结构特性，一直以来都难以被有效地转化为有价值的产品。在纸浆和造纸工程中，每年会产生多达 5000 万吨的木质素废渣，这些废渣大多被当作低等级燃料用于发电；在生物炼制厂，木质素也常被视为废弃物，尽管它含有丰富的芳香基团，本可以作为合成燃料、化学品和先进材料的前体。因此，如何将木质素这一 “废物” 转化为 “宝物”，实现生物质的充分利用，推动生物炼制产业向循环经济发展，成为了科研人员亟待攻克的难题。
为了解开这把 “宝藏锁”，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅，他们开展了一项极具意义的研究 —— 利用离子交换分级 H-ZSM-5 和 H-Beta 沸石催化木质素热解，相关成果发表在《Catalysis Today》上。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过特定的合成方法制备出具有分级孔隙结构的 H-ZSM-5（h-H-ZSM-5）和 H-Beta（h-H-Beta）沸石，如使用硅烷化核结晶法，该方法能够精准调控沸石的结构。接着，对合成的沸石进行离子交换，引入碱金属（Na?、K?）和碱土金属（Mg2?）阳离子，改变沸石的酸性质。然后，利用多种表征技术对催化剂进行全面分析，如采用电感耦合等离子体 - 光学发射光谱（ICP-OES）分析金属含量，通过 X 射线衍射（XRD）确定晶体结构等。在木质素热解实验中，使用固定床反应器进行催化热解测试，并运用气相色谱 - 质谱（GC-MS）等技术对热解产物进行详细分析。
下面来看看具体的研究结果：
- 催化剂表征：合成的 h-H-ZSM-5 和 h-H-Beta 沸石分别呈现出 MFI 和 BEA 结构的特征衍射模式。离子交换后，沸石的 Si/Al 摩尔比基本保持不变，但结构和酸性发生了变化。例如，离子交换增加了 Lewis 酸位点的比例，改变了 Lewis/Br?nsted（L/B）酸中心的比例。同时，离子交换导致沸石的总表面积减小，部分微孔被堵塞。
- 木质素热解：木质素热解主要产物为焦炭、生物油 *（无水基）、不可冷凝气体和水。生物油 * 富含含氧芳烃，但存在氧含量高、轻质成分浓度低的问题，这限制了其作为燃料的稳定性和质量。
- 催化热解：使用 h-H-ZSM-5 和 h-H-Beta 沸石进行催化热解时，随着催化剂与木质素质量比（C/L）的增加，生物油产率降低，水、气体和焦炭的生成量增加。这是因为沸石的酸性和孔隙结构影响了木质素分解蒸汽的转化路径。离子交换后的沸石能更有效地将低聚物转化为生物油中可检测的化合物，提高了含氧芳烃的浓度。不同的离子交换沸石对产物分布有显著影响，例如 h-KH-ZSM-5 和 h-KH-Beta 等沸石能促进特定酚类化合物的生成。
研究结论和讨论部分指出，离子交换对分级沸石的 Si/Al 摩尔比影响较小，但改变了其酸性和表面性质。分级沸石的高可及性有利于生成富含轻质化合物的生物油 *。使用离子交换的 h-MeH-ZSM-5 和 h-MeH-Beta 沸石进行催化热解，虽然生物油 * 产率降低，但高附加值化合物的浓度显著提高。该研究表明，分级孔隙提供的可及性与离子交换引入的不同性质和强度的酸位点相结合，能够定制木质素催化热解过程，选择性地生产高附加值化合物。这一研究成果为从木质素等残余副产物中生产有价值的生物产品提供了新的途径，有助于推动化学工业从可再生资源获取原材料，减少对化石燃料的依赖，为实现可持续发展目标迈出了重要一步。
