核壳结构HZSM-5@silicalite-1催化剂耦合烘焙预处理提升杨木催化热解轻质芳烃产率的研究

本研究针对生物质催化热解(CFP)中高氧含量导致催化剂结焦和芳烃产率低的问题，通过烘焙脱氧预处理(TDP)结合核壳结构HZSM-5@silicalite-1催化剂的设计，显著提升了杨木热解产物中BTX（苯、甲苯、二甲苯）的选择性。结果表明，260℃烘焙预处理使氧含量降低39.29%，催化剂微-介孔结构抑制结焦并延长中间体扩散路径，在800℃和4:1催化剂/原料比条件下，BTX产率达5.56×108 8 a.u./mg，为生物质高值化利用提供了新策略。

　　

随着全球碳中和目标的推进，如何将可再生生物质资源转化为高附加值化学品成为研究热点。苯、甲苯和二甲苯（BTX）作为重要的轻质芳烃，目前主要依赖不可再生的石油和煤化工生产，但这一过程伴随着巨大的碳排放和资源不可持续性问题。催化快速热解（CFP）技术为生物质转化为BTX提供了潜在解决方案，然而生物质固有的高氧含量（超过40%）导致热解产物中富含含氧化合物，不仅增加了选择性转化难度，还易引发催化剂结焦失活。此外，传统HZSM-5催化剂因微孔结构限制，大分子含氧中间体难以进入孔道，加剧了表面结焦问题。尽管烘焙脱氧预处理（TDP）和核壳结构催化剂在单独研究中显示出改善潜力，但两者的协同效应尚未系统探索。

针对上述挑战，来自浙江大学的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，创新性地将杨木烘焙预处理与核壳结构HZSM-5@silicalite-1催化剂相结合，系统优化了轻质芳烃的生产工艺。研究采用Py-GCMS（热解-气相色谱/质谱联用）分析技术，通过烘焙温度梯度实验筛选最优脱氧条件，并利用外延生长法合成核壳催化剂，结合BET（比表面积分析）、NH₃
-TPD（氨程序升温脱附）、SEM（扫描电镜）和TEM（透射电镜）等多维表征手段解析其结构-性能关系。

烘焙温度对固体产物的影响
研究发现，随着烘焙温度从200℃升至300℃，杨木质量收率从98.07%降至44.81%，氧含量显著降低。260℃为最佳平衡点，此时氧去除率达39.29%，且保留了足够的活性组分用于后续热解。元素分析和热值测试表明，烘焙过程通过选择性断裂含氧官能团（如羟基和羧基），实现了生物质碳骨架的重构。

核壳催化剂特性
通过外延生长构建的HZSM-5@silicalite-1催化剂展现出独特的微-介孔分级结构：HZSM-5核心提供强Br?nsted酸位点（布朗斯特酸位）促进芳构化，而silicalite-1外壳延长了中间体扩散路径并减少表面结焦。NH₃
-TPD显示外壳修饰有效调控了酸位分布，抑制了多环芳烃的形成。

催化热解性能优化
在催化剂/原料比4:1和800℃条件下，核壳催化剂使BTX产率达到5.56×10^8
8
a.u./mg，总芳烃产率为3.15×10^8
8
a.u./mg，较传统HZSM-5提升显著。高温促进了挥发分的剧烈释放，而分级孔道结构降低了传质阻力，使含氧中间体更易接触内部活性位点完成脱氧/芳构化串联反应。

该研究通过"烘焙预处理-核壳催化剂"双策略协同，为解决生物质CFP中氧干扰和催化剂失活问题提供了新思路。核壳结构的有序孔道设计克服了传统酸碱处理法造成的结构破坏缺陷，而适度的烘焙温度既保证了脱氧效率，又避免了过度碳化。这一成果不仅为生物质制BTX的工业化应用提供了技术参考，也为实现"生物质替代石油"的低碳目标奠定了科学基础。研究团队特别指出，未来可通过调控silicalite-1壳层厚度进一步优化扩散动力学，并探索该催化剂在其他木质纤维素转化体系中的普适性。