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微藻与木质纤维素生物质共水热碳化（co-HTC）所得共炭存在氮含量低、孔隙率不足问题。研究人员添加 FeCl3、NH4Cl 和三聚氰胺开展研究。结果表明 NH4Cl 效果最佳，为制备高质量富氮碳材料提供依据。
在能源与材料领域，微藻作为第三代生物燃料生产的重要资源，有着诸多显著优势。它的光合固碳效率高，就像一个个高效的 “碳捕捉器”，能快速将二氧化碳转化为自身的物质；生长速度极快，短时间内就能大量繁殖；氮含量丰富，是潜在的富氮原料；而且占地少，不与传统农业争夺土地资源 。凭借这些优点，微藻成为生产先进生物燃料、材料和化学品的理想之选。水热碳化（HTC）技术更是为微藻的转化提供了便利，它能直接将潮湿的微藻转化为碳材料（水热炭），巧妙避开了微藻脱水过程中巨大的能源消耗。通过该技术得到的微藻水热炭应用广泛，比如能作为制备电极材料的前驱体，也能充当吸附污染物或重金属的吸附剂。
然而，微藻在水热碳化过程中存在一些棘手的问题。其主要成分蛋白质和脂质很容易 “溜走”，转化为小分子并转移到液相中，导致微藻水热炭的产率较低，仅在 25%-45% 之间，氮保留率也不高，不到 30%。相比之下，木质纤维素生物质在水热碳化时会发生显著的缩聚和芳构化反应，有利于水热炭的形成。于是，将木质纤维素生物质和微藻进行共水热碳化（co-HTC）成为提升水热炭产率和氮保留率的潜在方法。但即便如此，共水热炭仍然存在氮含量低和孔隙结构不发达的问题，这严重限制了它后续的应用。
为了解决这些难题，来自国内的研究人员开展了一项重要研究。他们在微藻（小球藻，Chlorella pyrenoidosa）和玉米秸秆的共水热碳化过程中，添加了两种无机添加剂（FeCl3和 NH4Cl）以及一种有机添加剂（三聚氰胺），系统地探究了这三种添加剂对共水热炭理化性质和氮分布特征的影响，并提出了一种新的氮转化机制。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为高质量富氮碳材料的定向制备提供了关键指导。
研究人员在实验中运用了多种关键技术方法。他们选取了代表性的原料玉米秸秆和小球藻，将其粉碎过筛处理。在不同温度下进行共水热碳化实验，通过精确控制反应条件，观察添加不同添加剂后的变化。实验结束后，对生成的水热炭进行多项指标的测定分析，包括产率、氮含量、比表面积、孔隙率等，以此来评估添加剂的作用效果。
添加剂辅助共水热碳化水热炭的产率
研究发现，单独对小球藻进行水热碳化时，水热炭产率低至 11.70%，这是因为小球藻中的蛋白质和脂质在水热过程中易水解为小分子进入液相。而单独对玉米秸秆进行水热碳化，产率可达 38.16%。在添加不同添加剂后，NH4Cl 对提高共水热炭产率效果显著，能使产率达到 40.24%。
添加剂对共水热炭理化性质的影响
FeCl3的加入增加了共水热炭的比表面积。这是因为 FeCl3在反应中可能起到了某种促进结构变化的作用，使得共水热炭的表面变得更加粗糙多孔，从而增加了比表面积。但 Fe3+的氧化性却让氮更容易进入水相产物，导致水相产物中的氮分布高达 83.51%。三聚氰胺的加入增加了共水热炭和油相产物的氮含量，其中共水热炭氮含量达到 6.95%，不过却降低了共水热炭的孔隙率。而 NH4Cl 在增加共水热炭产率的同时，还使氮含量提升至 8.93%，比表面积增大到 9.12 m2 g?1 ，对共水热炭的综合提升效果最为明显。
NH4Cl 辅助共水热碳化过程中的氮转化机制
NH4Cl 辅助共水热碳化过程中的氮转化机制可分为两个阶段。在第一阶段（200℃ - 240℃），NH4+会与水解中间体发生美拉德（Maillard）反应和曼尼希（Mannich）反应，生成杂环氮化合物进入油相，这些化合物再与含氧官能团反应，促进了共水热炭中的氮富集。在第二阶段（240℃ - 280℃），部分水热炭会发生二次降解，形成水溶性富氮小分子，这些小分子又会转移到水相产物中。
综合研究结果，FeCl3、三聚氰胺和 NH4Cl 这三种添加剂对微藻与玉米秸秆共水热炭的性质和氮迁移有着不同的影响。其中，NH4Cl 在提高共水热炭产率、氮含量和比表面积方面表现最为突出，是制备富氮碳材料的有效添加剂。这项研究详细阐述了添加剂辅助共水热碳化过程中的氮转化机制，为通过共水热碳化制备高质量富氮碳材料提供了理论依据和实践指导。未来，相关研究可以在此基础上进一步优化添加剂的使用和反应条件，探索更多种类添加剂的协同作用，从而实现富氮碳材料的大规模高效制备，推动其在能源存储、环境修复等领域的广泛应用。
