凹凸棒石与Zn/ZSM-5级联催化生物质快速热解定向制备轻质烯烃和芳烃

针对生物质催化快速热解(CFP)中ZSM-5沸石催化剂成本高、易结焦等问题，中国研究人员创新性地采用凹凸棒石(ATP)与Zn/ZSM-5构建级联催化体系。研究发现Cu/HATP/600&Zn/ZSM-5组合使BTX(苯、甲苯、二甲苯)选择性提升10%，丙烯产率达17.93%，催化剂成本降低50%，为生物质高值化利用提供了经济高效的新策略。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，生物质催化快速热解(CFP)技术因其能将农林废弃物转化为高附加值化学品而备受关注。然而，传统ZSM-5沸石催化剂存在成本高昂(约7400美元/吨)、易结焦导致失活等问题，严重制约其工业化应用。与此同时，生物质热解产物中氧含量过高(可达99.66%)，严重影响下游化学品质量。如何开发兼具经济性和高效选择性的催化体系，成为该领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，中国某高校研究团队创新性地将天然粘土矿物凹凸棒石(Attapulgite, ATP)引入催化体系。这种具有纳米多孔结构的镁硅酸盐矿物，价格仅为ZSM-5的1/370-1/200，却拥有216 m²/g的高比表面积和丰富活性位点。研究人员设计出ATP与Zn/ZSM-5的级联催化系统(标记为ATP&Zn/ZSM-5)，通过Py-GC/MS(热解-气相色谱/质谱联用)技术分析松木屑热解产物，系统评估了七种ATP基催化剂及其级联组合的性能。

关键技术方法包括：1) 采用浸渍法制备Zn、Cu、La改性的ATP催化剂系列；2) 使用热重分析(TGA)验证催化剂热稳定性；3) 通过Py-GC/MS在线分析系统实时监测热解产物分布；4) 建立级联催化反应体系，其中第一级ATP催化剂0.04 mg，第二级Zn/ZSM-5催化剂0.04 mg，总用量较单级Zn/ZSM-5系统减少50%。

材料与催化剂制备
研究发现原始ATP经600°C煅烧后达到热稳定状态，酸处理(HATP)和金属改性显著提升其催化活性。其中Cu/HATP/600表现出最优脱氧性能，将含氧化合物从99.66%降至53.24%。

废松木屑与催化剂分析
TGA显示ATP在600°C后质量损失可忽略，适合高温应用。元素分析证实松木屑具有高挥发分(72.39%)和低碳含量(49.56%)，是理想的热解原料。

结论
级联催化体系展现出超预期的协同效应：1) Cu/HATP/600&Zn/ZSM-5组合实现49.73%芳烃产率(其中BTX占30.52%)，较预测值提高10%；2) 丙烯选择性从单用Zn/ZSM-5的8.39%提升至17.93%；3) 多环芳烃(PAHs)从14.24%降至8.92%；4) HATP/25&Zn/ZSM-5系统获得52.19%芳烃和31.73%BTX的高产率。

讨论与意义
该研究首次证实ATP基催化剂在生物质热解中的双重作用：既作为廉价初级催化剂促进中间体转化，又通过级联设计缓解Zn/ZSM-5结焦问题。相较于传统沸石系统，该方案将催化剂成本降低约50%，同时实现丙烯和BTX的高选择性生产，为生物质炼制提供了一条兼具经济性和高效性的新路径。论文成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为可再生资源高值化利用提供了重要理论依据和技术支撑。