超临界水气化竹子高效制氢：反应机制优化与催化剂协同作用研究

为突破传统生物质制氢过程中焦油生成、碳排放高的技术瓶颈，本研究创新采用超临界水气化（SCWG）技术对竹子进行高效氢能转化。通过系统调控反应温度（700oC）、原料浓度（5 wt.%）及停留时间（20 min），实现碳转化率（CE）97.44%与氢转化率（HE）111.43%的突破性进展，并证实Cu-7%Al2O3催化剂可显著提升低温（600oC）气化性能。该研究为生物质清洁制氢提供了新范式，对推动"双碳"目标下绿色氢能产业化具重要意义。

　　

在全球能源转型加速推进的背景下，传统化石燃料制氢面临高碳排放、高能耗的严峻挑战。据统计，当前中国约95%的氢产量来自碳排放密集的灰氢技术，每生产1公斤氢气平均释放10公斤二氧化碳。与此同时，生物质作为唯一可再生的碳源载体，其能源化利用却长期受限于焦油生成、能量密度低等瓶颈——例如松木屑蒸汽气化仅能实现9.4 mol/kg的氢产率，且伴随16%的焦油副产物。这种两难困境促使科学家将目光投向超临界水气化（SCWG）技术：当水温升至374.3^oC、压力突破22.1 MPa时，水会转变为兼具高扩散性与强溶解性的特殊流体，可彻底分解生物质大分子并抑制焦油生成。

在这一技术赛道中，来自江西碳中和研究中心（Jiangxi Carbon Neutralization Research Center）的研究团队独辟蹊径，选择生长周期短、纤维素含量高达48%的竹子作为研究对象。这种被《Biomass and Bioenergy》期刊收录的创新研究，首次揭示了竹材在极端条件下的气化机制与氢能转化路径。

研究团队通过正交实验设计，在石英管反应器中构建了多参数协同调控体系：

1. 温度梯度实验：在5 wt.%浓度下测试500-750^oC区间气化效率
2. 催化剂筛选：对比Cu-7%Al₂O₃、Ni基等催化剂在600^oC的强化效果
3. 停留时间优化：设置1-30分钟七个时间节点监测中间产物演变
4. 残渣组分分析：采用傅里叶红外等手段追踪纤维素/木质素降解路径

反应动力学特性
在600^oC基础条件下，延长停留时间显著改变气化路径：当反应时间从1分钟增至25分钟，气体产物中H₂占比提升83%，但继续延长至30分钟反而引发甲烷化逆反应。这种非线性变化源于中间产物的二次转化——气相色谱-质谱联用分析显示，短时反应生成的糠醛类物质（如5-羟甲基糠醛）在高温下进一步脱氧形成烯烃化合物。

温度阈值效应
当温度突破650^oC临界点，竹材气化发生质变：在700^oC、5 wt.%浓度、20分钟条件下，碳转化率（CE）跃升至97.44%，氢转化率（HE）更达到惊人的111.43%（因水相变换氢贡献）。此时气体总产率47.17 mol/kg，较松木屑传统气化提升402%，创造了竹基生物质制氢的新纪录。

催化剂协同机制
针对低温气化效率低的痛点，Cu-7%Al₂O₃催化剂展现出独特优势：在600^oC条件下，催化剂负载量1.5时，CE、HE和总气产率分别提升至93.68%、96.17%和42.06 mol/kg。X射线衍射表征表明，催化剂中Cu⁰/Cu⁺氧化还原对加速了木质素解聚——羟基自由基攻击β-O-4键产生酚类单体，而这类物质正是传统气化中焦油的前驱体。

该研究首次绘制出竹材SCWG的完整反应图谱：纤维素/半纤维素通过脱水脱羧形成呋喃环，而木质素在氢自由基攻击下解聚为苯丙烷单元。更重要的是，团队发现竹子特有的高硅含量（灰分中SiO₂占62%）在超临界环境中转化为天然助催化剂，这解释了为何同等条件下竹材气化效率比小麦秆高出14.7%。

这些发现不仅为竹资源高值化利用开辟新路径（1吨竹材可产氢94.34 m³），更建立起生物质组分-操作参数-催化剂构效的预测模型。当技术推广至年产10万吨竹废料区域时，预计可替代1.2万吨标准煤，减少CO₂排放3.7万吨。随着江西科学院团队持续优化催化剂寿命与反应器设计，这项源自中国本土的创新技术，正为全球生物质制氢领域注入强劲动能。