激光热解生物质技术：基于纤维素与木质素差异的富氢气体生成机制研究

本研究针对传统氢能生产高碳排放问题，创新性采用CO2激光热解技术，对比分析橄榄核（高木质素）与洋葱废弃物（高纤维素）的产氢效能。实验发现100%激光功率下洋葱废弃物产氢量达177.72 L/kg，其多孔生物炭结构更优，证实原料组分与激光参数的协同调控可定向优化H2产量，为生物质能高值化利用提供新范式。

　　

在全球能源转型与碳中和目标驱动下，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而当前全球95%的氢产量仍依赖化石燃料，其中62%源自未配置碳捕集的天然气重整，存在严重碳排放问题。生物质热解制氢虽具潜力，但传统热解技术存在加热速率低（<100°C/s）、产物调控难等瓶颈。尤其针对纤维素与木质素含量差异显著的生物质原料，其热解路径与产氢效率的构效关系尚未明晰。

摩洛哥研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表突破性研究，首次将CO₂激光热解技术应用于生物质制氢领域。该技术通过10² W/cm²超高功率密度激光实现>1000°C/s的瞬时加热，系统对比了橄榄核（高木质素）与洋葱废弃物（高纤维素）在25%-100%激光功率下的产物分布规律。研究采用FTIR（傅里叶变换红外光谱）、GC-MS（气相色谱-质谱联用）和Raman光谱等多维表征手段，揭示了原料组分-工艺参数-产物特性的内在关联。

关键实验方法

1. 原料处理：采集当地橄榄核与洋葱采后废弃物（花梗与花部），经粉碎筛分至<0.1mm粒径
2. 激光热解系统：采用连续波CO₂激光器（波长10.6μm），设置25%、50%、100%三档功率梯度
3. 产物分析：气相产物通过GC-MS定量H₂/CH₄等组分，固体产物通过Raman光谱表征碳结构有序度

Feedstocks characterization
原料特性分析显示，洋葱废弃物含44.19%水分（橄榄核仅7.30%），但纤维素/半纤维素总量达58.37%，显著高于橄榄核的32.15%。元素分析显示洋葱废弃物H/C原子比更高（1.63 vs 1.41），预示其更优的产氢潜力。

Current challenges and future Directions
研究发现激光功率与原料组分存在显著交互作用：100%功率下洋葱废弃物产氢浓度达36.18%（体积分数），产率177.72 L/kg，分别是橄榄核的2.3倍和3.6倍。机理分析表明，纤维素/半纤维素在快速热解中更易通过脱羧/脱水反应生成H₂，而木质素主要转化为多环芳烃滞留于生物炭中。

Conclusion
该研究证实激光热解可通过"原料筛选-功率调控"双杠杆策略实现产物定向转化：

1. 高纤维素原料（洋葱废弃物）适合生产H₂富集燃气（H₂/CH₄体积比>3:1）
2. 高木质素原料（橄榄核）更适于制备高芳构化生物炭
3. 激光功率提升可同步增加气相产物占比，但需考虑能量效率阈值

这项由Abderrahman Mellalou领衔的研究，不仅为生物质制氢提供了创新技术路径，其建立的"组分-参数-产物"数据库更为后续反应器设计提供了关键理论支撑。特别值得注意的是，该技术可将农业废弃物转化为氢能与传统化石路线形成成本竞争（当前氢价2-3美元/kg时LCOH估算为1.8美元/kg），对发展中国家推动能源-环境协同治理具有示范意义。未来研究需进一步探索激光模式（脉冲/连续）、波长特异性吸收等深层机制，以推动该技术走向工业化应用。