塑料作为氢供体对纤维素催化热解制备单环芳烃（BTX）的协同效应研究

针对生物质催化热解中因高氧含量（～40%）和低H/Ceff （0.2）导致的芳烃产率低、积炭严重问题，研究人员通过共催化热解（CCP）将低密度聚乙烯（LDPE，H/Ceff =2）作为氢供体与纤维素协同转化，在无模板剂合成的多级孔ZSM-5（Z-40）催化下，BTX（苯、甲苯、二甲苯）实验产率达24.5%（选择性86.7%），较理论值提升52.7%，为绿色非石油路线制备高附加值化学品提供了新策略。

　　

在全球石油资源逐渐枯竭的背景下，如何从可再生资源中获取高附加值化学品成为研究热点。生物质作为清洁能源，其催化快速热解（CFP）可生产苯、甲苯和二甲苯（BTX）等关键化工原料。然而，生物质的高氧含量（～40%）和低有效氢碳比（H/C_eff
= 0.2）导致热解过程中芳烃产率低、积炭严重，成为技术瓶颈。与此同时，塑料废弃物因富含氢（如聚乙烯H/C_eff
=2）且难以降解，其资源化利用亟待突破。如何通过两者协同转化实现“变废为宝”，并揭示其反应机制，是当前研究的难点。

针对这一挑战，广西某高校的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，提出以低密度聚乙烯（LDPE）为氢供体，与纤维素共催化热解（CCP）制备BTX的新策略。通过开发无有机模板剂的两步水热结晶法合成多级孔ZSM-5（Z-40），结合模型化合物（糠醛和正辛烷）与真实聚合物的对比实验，揭示了LDPE促进脱氧和芳构化的协同机制。研究发现，在550°C、原料比1:1、催化剂/原料比2:1的最优条件下，BTX产率高达24.5%，较理论值提升52.7%，且催化剂积炭量显著降低。

关键技术方法
研究采用无模板剂的两步水热结晶法合成多级孔ZSM-5；通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征催化剂结构；利用固定床反应器进行纤维素/LDPE共催化热解实验；以气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析产物分布；选用糠醛和正辛烷作为纤维素与LDPE热解蒸汽的模型化合物，对比研究反应路径。

研究结果

催化剂表征
XRD和FT-IR证实合成的Z-40具有典型MFI拓扑结构，其550 cm^?1
特征峰表明丰富的介孔结构。与商业ZSM-5（CZ）相比，Z-40的酸性位点分布更均衡，外表面酸量减少46%，有效抑制了积炭。

协同效应验证
当纤维素/LDPE投料比为1:1时，BTX实验产率（22.9%）显著高于理论值（15%），表明LDPE通过氢转移反应促进了纤维素衍生物的脱氧芳构化。模型化合物实验显示，糠醛与正辛烷共热解时，正辛烷裂解生成的小分子烯烃（如乙烯）可参与糠醛的烃池反应（Hydrocarbon Pool），生成BTX。

反应机制解析
共热解过程分为三阶段：（1）纤维素和LDPE同步热解生成含氧片段和烯烃；（2）大分子片段在Z-40外表面裂解；（3）小分子中间体进入微孔发生芳构化。Z-40的介孔结构加速了传质，而适中的酸强度抑制了过度裂解。

工艺优化
在550°C、催化剂/原料比2:1条件下，BTX产率达到峰值（24.5%），且催化剂稳定性显著提升，连续使用5次后活性仅下降7.3%。

结论与意义
该研究创新性地提出“塑料供氢-生物质脱氧”的协同转化策略，通过简易方法合成低成本多级孔ZSM-5，实现了BTX的高效绿色制备。其科学价值在于：（1）阐明LDPE作为氢供体促进脱氧芳构化的反应路径；（2）揭示多级孔道与酸性位点协同调控产物分布的规律；（3）为生物质与塑料废弃物的共转化提供了工业化应用基础。研究成果对缓解石油资源依赖、推动循环经济发展具有重要意义。