生物质/塑料共气化协同H2O多步调控实现H2-碳纳米管高效联产的作用机制

针对生物质与塑料废弃物处理引发的环境与能源问题，研究人员通过热催化技术实现H2与碳纳米管(CNTs)联产，揭示了生物质/塑料混合比例与H2O在反应中的协同调控机制，成功制备高纯度CNTs(90 mg/g)与高产H2(34 mmol/g)，为废弃物高值化利用提供新策略。

　　

随着化石能源危机与全球变暖问题加剧，开发可再生零碳能源成为迫切需求。生物质作为农业固体废弃物富含碳元素，而塑料垃圾仅9%被回收，大量填埋或焚烧导致严重环境问题。传统生物质-H₂O气化制氢面临焦油难题，而催化裂解过程中碳沉积又易使镍基催化剂失活。有趣的是，纤维状碳纳米管(CNTs)的形成非但不会使催化剂失效，反而能保护金属活性位点。基于此，哈尔滨工业大学的研究团队创新性地提出通过生物质与塑料共气化实现H₂与CNTs协同生产，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究采用超声振荡法制备高分散镍基催化剂(Ni/Al₂O₃)，结合Reax-FF分子动力学模拟与密度泛函理论(DFT)计算，系统解析了反应路径。通过玉米秸秆(CS)与高密度聚乙烯(HDPE)共气化实验，分析气体组分、焦油组成及催化剂表面CNTs结构特征。

主要技术方法

1. 催化剂合成：采用浸渍-超声法构建Ni/Al₂O₃催化剂，通过HRTEM确认Ni颗粒平均粒径21.72 nm
2. 多尺度模拟：运用Reax-FF追踪自由基变化路径，DFT计算H₂O解离能垒
3. 反应调控：考察不同生物质/塑料混合比(0-100%)及H₂O浓度(0-50%)对产物的影响

研究结果

1. 生物质/塑料协同效应：共气化使CNTs产率提升88%-95%，纯度提高21%-37%。生物质中·OH自由基触发聚乙烯生成·H，进而诱导H₂O分解产H₂。
2. H₂O多步调控机制：
   • 反应前期：·OH促进大分子分解为H₂
   • CNTs形成期：·OH抑制碳原子表面扩散(C_β→C_v)
   • 反应后期：蚀刻无定形碳提升CNTs纯度
3. 碳扩散路径：·OH使碳原子体相扩散活化能(～150 kJ/mol)显著高于表面扩散(39 kJ/mol)，证实VLS机制主导CNTs生长。

结论与意义
该研究首次阐明生物质/塑料共气化体系中H₂O在三个反应阶段的差异化调控作用：既作为·OH供给源促进H₂生成，又通过表面修饰优化CNTs生长动力学。所开发的Ni基催化剂可实现H₂产率34 mmol/g与CNTs产量90 mg/g的协同突破，为复杂气氛下碳材料结构调控提供新思路。研究成果不仅推动废弃物资源化利用，更为多相催化体系中自由基介导的反应路径设计提供方法论指导。