镍浸渍预处理促进生物质热解产氢及中间体转化的催化机制研究

针对生物质热解产氢效率低、产物调控难的问题，研究人员通过镍(Ni)浸渍预处理技术，系统探究了其对半纤维素(HE)、纤维素(CE)和木质素(LI)热解路径的催化作用。结果表明，Ni显著提升气体产率（木质素达180.60%），促进脱羧、脱羰基及自由基转化，为生物质清洁能源化提供了理论依据。

　　

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论文解读

全球能源危机与环境问题日益严峻，生物质作为可再生资源的热化学转化备受关注。然而，生物质固有的组分复杂性导致其热解过程中气体产率低、氢气纯度不足，且中间产物调控机制不明。尤其关键的是，传统热解产生的焦油和自由基副产物会降低能源转化效率。镍(Ni)等过渡金属虽被证明能催化热解反应，但其对生物质三大组分（半纤维素HE、纤维素CE、木质素LI）的差异化作用机制尚不清晰。为此，中国某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过多尺度实验揭示了Ni浸渍预处理对生物质热解产物分布及自由基演化的调控规律。

关键技术方法
研究选取HE、CE、LI为模型化合物，经Ni(NO₃)₂溶液浸渍预处理后，采用快速热解-气相色谱/质谱联用(Py-GC/MS)分析焦油组成，傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征生物炭结构，电子顺磁共振(EPR)定量追踪自由基浓度及类型演变，结合产物收率统计阐明Ni的催化靶点。

研究结果

1. 材料特性
HE和CE的高挥发分（>80%）预示其热解易生成气体，而LI的高固定碳（~30%）表明其更易生成生物炭。Ni预处理降低了各组分的H/C比，暗示其促进芳香化反应。

2. 产物分布调控
Ni使木质素气体产率提升180.60%，显著高于HE（35.2%）和CE（28.5%）。在HE热解中，Ni促进脱羧(decarboxylation)和脱羰基(decarbonylation)，H₂和CO产率分别增加42.3%和67.1%；对CE则通过开环反应生成小分子挥发物；对LI则加速脱甲基(demethylation)和脱甲氧基(demethoxylation)，酚类产物占比提高。

3. 自由基演化机制
EPR分析显示，Ni使自由基浓度提升2-3倍，并在高温（>500°C）下推动氧中心自由基(·O-)向碳中心自由基(·C-)转化，促进形成稳定的芳香碳结构，这是生物炭品质提升的关键。

结论与意义
该研究首次系统阐明了Ni对不同生物质组分热解路径的差异化催化机制：在HE中靶向C=O键断裂，在CE中诱导糖环开环，在LI中优先裂解C-O-CH₃键。自由基EPR分析证实Ni通过稳定碳中心自由基促进芳香化，为定向调控生物炭性能提供了新思路。研究成果不仅深化了对金属催化热解的理论认知，更为生物质制氢及高值化利用提供了技术支撑，助力“双碳”目标下可再生能源的发展。