活化热解生物炭催化凤凰木生物质废料溶剂分解的开发与应用研究

本研究针对生物质能源转化过程中催化剂成本高、可持续性差的问题，创新性地采用凤凰木(DR)热解生物炭经KOH/H3PO4/ZnCl2化学活化后作为溶剂分解催化剂。实验证明H3PO4活化生物炭使比表面积提升50倍，在250°C/93 bar条件下催化液化获得28.39 wt.%生物原油产率及23.89 MJ/kg高热值(HHV)，性能优于传统Ni/γ-Al2O3催化剂，为生物质全组分高值化利用提供新策略。

　　

随着化石燃料枯竭与温室气体排放问题日益严峻，全球能源结构向可再生能源转型迫在眉睫。生物质作为唯一可转化为液态燃料的可再生碳源，其高效转化技术成为研究热点。传统生物质热化学转化过程中，催化剂多依赖贵金属或不可再生材料，且常忽视副产物生物炭的利用价值。印度理工学院古瓦哈提分校的研究团队独辟蹊径，以校园内丰富的凤凰木(Delonix regia, DR)为原料，通过"以废治废"的创新思路，将热解生物炭经化学活化后反哺至溶剂分解过程，形成闭环式资源利用体系。相关成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为生物质全组分高值化利用提供了范式转移。

研究团队采用三步技术路线：首先对25目DR生物质进行400°C慢速热解获取原始生物炭；随后分别采用KOH(碱)、H₃PO₄(酸)和ZnCl₂(盐)进行化学活化；最后在93 bar高压反应釜中，以甲醇为溶剂(生物质:溶剂=1:6)，250°C条件下对比测试活化生物炭与常规Ni/γ-Al₂O₃催化剂的液化性能。通过比表面积分析、核磁共振(NMR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对产物进行系统表征。

Biomass characterization
研究选用DR枝条经晒干、破碎至0.6-0.7 mm颗粒，其高纤维素/木质素含量为后续催化反应提供丰富活性位点。热解温度刻意控制在400°C/1h以获得更高生物炭产率，区别于常规高温热解(>500°C)以生物油为主的工艺路线。

Results and Discussion
表征显示H₃PO₄活化生物炭比表面积暴增50倍，形成丰富的介孔结构。催化实验中该材料使生物原油产率达28.39 wt.%，HHV提升至23.89 MJ/kg，显著优于非催化组(17.5 MJ/kg)和Ni/γ-Al₂O₃组。NMR分析揭示产物含烷烃、胺类、醇类和芳香族化合物，证明活化生物炭能促进脱氧/脱氮反应。副产物生物炭的碳含量与HHV(24.50 MJ/kg)表明其可作为优质固体燃料。

Conclusions
研究证实化学活化可显著提升生物炭催化性能，其中H₃PO₄活化效果最优。该工作首次实现"热解-活化-液化"全链条整合，不仅将传统废弃物生物炭转化为高效催化剂，更通过"过程内循环"使DR生物质的能源转化效率最大化。相较于贵金属催化剂，生物炭催化剂成本降低80%且具备碳负性特征，每吨处理量可减少2.3吨CO₂当量排放。

这项由Nanda Kishore团队完成的研究，为生物炼制行业提供了兼具经济性与环境友好性的解决方案。其创新点在于：建立生物质"热解炭→催化剂→液化"的闭环系统；揭示化学活化剂类型与孔隙结构的构效关系；开发出性能优于传统催化剂的可再生替代品。该技术若实现规模化应用，可使生物精炼厂降低30%运营成本，同时促进碳中和目标实现。