基于酚盐中间体的一步法碱热处理制备多孔生物炭及其形成机制研究

本研究针对生物质碱性热解(ATT)过程中多孔生物炭形成机制不明确的问题，通过以毛竹为模型，系统分析了纤维素、半纤维素和木质素三大组分在700°C NaOH处理下的转化过程。首次发现酚类化合物是关键中间体，揭示了酚钠盐促进碱金属阳离子嵌入碳骨架形成微孔的机制，获得比表面积达1237 m2/g的高性能生物炭，同时实现34.12 mmol/g的H2联产，为生物质高值化利用提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，如何将可再生生物质转化为高附加值材料成为研究热点。传统生物炭制备需经历碳化-活化两步法，存在能耗高、工艺复杂等问题。更棘手的是，碱热处理(Alkaline Thermal Treatment, ATT)过程中生物炭的形成机制始终是"黑箱"，这严重制约了材料性能的定向调控。与此同时，生物质转化联产的H₂作为清洁能源虽被广泛研究，但其与生物炭形成的协同机制鲜有报道。

四川大学的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表的研究，以毛竹为模型生物质，通过温度梯度实验结合三大组分（纤维素、半纤维素、木质素）的对照研究，首次揭示了酚类化合物作为关键中间体的生物炭形成机制。研究采用热重-质谱联用(TG-MS)分析气态产物，通过N₂吸附/脱附测定孔隙结构，结合拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)表征碳骨架演变，并运用气相色谱-质谱(GC-MS)鉴定液相中间产物。

Gaseous and solid products
温度依赖实验显示H₂产率呈现三阶段特征峰（185-300°C、300-400°C、400-500°C），对应三大组分解离。700°C处理10分钟获得最佳性能生物炭：比表面积1237 m²/g，孔容0.647 cm³/g，显著优于传统碳化-活化工艺。拉曼光谱证实较高温度（>600°C）会破坏石墨微晶结构。

Materials characterization
GC-MS分析首次鉴定出酚类中间体：纤维素/半纤维素衍生自羧酸、内酯和环己酮，木质素则源于甲氧基酚类化合物。这些酚类在500°C以上发生聚合形成生物炭，其钠盐形式促进Na⁺嵌入碳骨架，通过蚀刻作用形成微孔。

Conclusion
该研究建立了ATT过程中"组分-中间体-孔隙"的构效关系，提出酚盐介导的微孔形成新机制。相比传统工艺，一步法ATT同时实现高性能生物炭制备与H₂联产，为生物质资源化提供了"双赢"策略。该发现对指导生物炭定向制备、推动生物质精炼技术发展具有重要理论价值。