强化传热传质耦合原位催化加氢液化木质素：转化效率与生物油品质的协同提升

针对酶解木质素(EHL)水热液化(HTL)过程中传热传质效率低、产物选择性差等问题，研究人员提出原位加氢液化与强化传热传质协同策略。通过优化固液比(1:15 g/mL)和搅拌强度(300 r/min)，在280℃下将木质素转化率提升至89.22 wt%，生物油高位热值(HHV)达33.51 MJ/kg。采用Ni/MgO-Al2O3等催化剂进一步将HHV提升至34.84 MJ/kg，酚类物质含量提高至82.53%，为生物质高值化利用提供新思路。

　　

木质素作为植物细胞壁中最丰富的芳香族生物聚合物，其高效转化一直是生物质能源领域的重大挑战。酶解木质素(EHL)作为生物乙醇工业的副产物，因结构复杂性和顽固性导致传统处理方法易产生焦炭而非高价值生物油。水热液化(HTL)虽能制备富含酚类的生物油，但高温(270-400℃)下缩合反应优先于解聚反应，加之固液体系传热传质效率低下，造成能量损失和产物选择性差。更棘手的是，氧含量高的中间体易重新缩合，而现有Ni基催化剂又面临金属原子利用率低、孔道传质限制等问题。针对这些瓶颈，中国研究人员在《Bioresource Technology》发表研究，创新性地将原位加氢液化与强化传热传质相结合，为木质素高值化转化开辟新途径。

研究团队采用水-甲醇共溶剂体系，通过调控固液比和搅拌强度优化传质过程，并设计Ni/β-Al₂O₃、Ni/MgO-Al₂O₃和Ni/MgO三种催化剂探究金属-载体相互作用。关键技术包括：1) 溶胶-凝胶法制备催化剂；2) 原位氢解脱氧(HDO)系统；3) 水热反应釜强化传热设计；4) 玉米秸秆来源EHL的液化实验；5) 产物GC-MS和热值分析。

主要研究结果

1. 传热传质优化效应：300 r/min搅拌强度与1:15 g/mL固液比组合使EHL转化率从79.30 wt%提升至89.22 wt%，脱氧率从1.27%跃升至68.53%，生物油HHV达33.51 MJ/kg。快速加热有效抑制了缩合副反应。

2. 催化剂结构特性：XRD显示Ni/MgO催化剂中Ni(0)相含量降低，表明MgO载体与Ni的强相互作用阻碍了金属溶出。而Ni/MgO-Al₂O₃的介孔特性(孔径2-50 nm)缓解了传质限制，其BET比表面积达218 m²/g。

3. 催化性能差异：Ni/MgO因强碱性位点促进C=O键断裂，使生物油HHV最高达34.84 MJ/kg；Ni/β-Al₂O₃的酸性位则提升酚类选择性至82.53%。三种催化剂的芳烃产率维持在6.00-7.09%。

4. 机理阐释：甲醇作为氢供体和共溶剂，通过羟基辅助氢转移机制促进中间体溶解。催化剂介孔结构实现选择性吸附/脱附，加速C-O键断裂形成C₈-C₂₀小分子。

结论与意义
该研究首次揭示传热传质强化与原位加氢的协同机制：1) 搅拌强度与固液比优化使反应温度均匀分布，避免局部过热导致的缩合；2) 载体酸碱性调控可定向断裂C-O/C=O键，Ni/MgO-Al₂O₃的"金属-载体强相互作用"(SMSI)平衡了活性和稳定性；3) 水-甲醇体系实现低温(280℃)高效产氢，较传统高压加氢(0.5-17 MPa)更经济。研究成果为生物炼制过程节能降耗提供理论依据，所开发的介孔催化剂设计策略可拓展至其他生物质转化体系。未来研究可进一步探索载体组成梯度变化对产物分布的影响机制。