热解温度与速率协同调控碱木质素衍生生物炭的理化特性：快慢热解对比研究及其能源应用启示

为解决生物质高值化转化中热解参数对产物性能的调控机制问题，研究人员以碱木质素为模型化合物，对比快热解（250–300?°C/s）与慢热解（10?°C/min）在800–1000?°C下对生物炭结构演化的影响。结果表明：快热解能耗低（0.0026?kW·h）、产率高（52%），保留部分甲氧基；慢热解则促进芳构化，获得高比表面积（763.06?m2/g）与导电性（15.94?S/cm）。该研究为定向设计功能化生物炭提供了理论依据。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，生物质作为唯一可再生碳源，其高效转化技术备受关注。然而，传统热解工艺面临产物性能不可控、能耗高等挑战，尤其是高温区（>800?°C）的反应机制研究匮乏。碱木质素因其高碳含量和结构稳定性，是制备高性能生物炭的理想前体，但热解温度与加热速率的协同效应尚不明确。

为解决这一问题，上海市科学技术委员会资助的研究团队通过对比快慢两种热解路径，系统探究了800–1000?°C下碱木质素衍生生物炭的理化特性演变。研究采用闪速焦耳加热（FJH）实现快热解（250–300?°C/s），管式炉进行慢热解（10?°C/min），结合元素分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）等表征技术，揭示了热解参数对碳结构的关键影响。

材料与方法
研究以碱木质素为原料，通过FJH和管式炉分别制备不同温度的生物炭样本，重点分析元素组成、表面官能团、晶体结构（XRD）、孔隙特征（BET）及电导率。

Comparison of fast and slow pyrolysis
快热解在1000?°C时生物炭产率达52%，能耗仅0.0026?kW·h，主要断裂烷基和部分甲氧基（-OCH₃）；慢热解则通过逐步脱除酚羟基和甲氧基，促进芳环稠合，形成高比表面积（763.06?m²/g）和导电性（15.94?S/cm）的石墨化结构。

Conclusions
研究阐明温度与加热速率通过异步路径调控热解过程：快热解加速挥发分释放，慢热解利于官能团渐进脱除与芳构化。该成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为生物炭在能源存储与环境修复中的应用提供了理论指导。

意义与展望
该工作首次在高温区对比快慢热解路径，揭示了能耗与材料性能的权衡机制。快热解的低能耗特性适合规模化生产，而慢热解的高导电性生物炭可应用于电极材料。研究为生物质定向转化提供了新思路，推动碳中和目标下的功能性碳材料开发。