《Biomass and Bioenergy》：Carbonisation pathway and structural evolution of
Sterculia foetida shell derived biochar during pyrolysis
编辑推荐：
•阐明了 Sterculia foetida 壳的碳化路径。•化学、结构和孔隙转化随温度不同而演变。•碳成熟涉及芳香缩合和骨架重组。•尽管碳成熟持续进行，可及孔隙率在 500?°C 时达到峰值。•推进了对生物质碳化的机制理解。引言碳化是生物质热解过程中发生的一种基本转化，通过
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阐明了 Sterculia foetida 壳的碳化路径。
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化学、结构和孔隙转化随温度不同而演变。
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碳成熟涉及芳香缩合和骨架重组。
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尽管碳成熟持续进行，可及孔隙率在 500?°C 时达到峰值。
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推进了对生物质碳化的机制理解。
引言
碳化是生物质热解过程中发生的一种基本转化，通过该转化，复杂的木质纤维素聚合物被转化为具有独特结构、化学和形态特征的富碳固体 [1]。在碳化过程中，生物质经历了一系列相互关联的转化，包括脱挥发分、脱氧、芳构化和碳缩合，最终导致稳定碳骨架的形成 [2]。这些转化的连续进展调控着碳结构的演变，并决定了所得生物炭的物理化学性质。此外，提供关于生物质到碳转化途径的见解对于增强对生物质碳化的基本理解以及建立可再生能源材料适当设计的科学概念至关重要 [3]。
木质纤维素生物质具有异质性，由纤维素、半纤维素和木质素聚合物组成，表现出独特的热降解模式，协同影响碳化过程 [4]。在热转化过程中，这些生物聚合物经历了解聚、脱水、脱羧和脱挥发分反应的序列，导致非碳元素的去除和碳骨架的增强 [5]。与此同时，碎片化的分子结构缩合并重新排列，导致形成日益芳香的碳域，随着热强度的升高逐渐转化为有序的碳骨架 [6]。这种转化可以与内在无机矿物成分的重新分布和孔隙结构的演变同时发生 [7]。这表明生物质碳化不是一个离散过程的序列，而是一个动态且相互关联的过程。因此，破译控制生物质到碳转化的机制需要了解这些转化的演变和相互关联。
大量研究表明了热解条件对生物炭理化、结构和形态特征的影响，有助于更好地理解生物质碳化。Shao 等人 [8] 发现，提高热解温度改善了碳含量，同时降低了氢含量，导致 C/H 比升高，并在碳化过程中持续富集碳。Rambhatla 等人 [9] 报告称，增加的热解温度由于木质纤维素成分的脱水而改变了现有的官能团，这导致脂肪族结构的损失。同样，Basika 等人 [10] 观察到，增加热解严重程度促进了广泛的碳化，将生物炭从富含官能团的结构转化为高度芳香的碳基质。从形态角度来看，Sathyabama 等人 [11] 表明，由于生物质基质的热降解，孔隙发展随着热解温度的增加而变得越来越明显。此外，Zhu 等人 [12] 报告称，较高的热解温度促进了碱金属和碱土金属元素的富集，导致所得生物炭中无机矿物成分浓度增加。上述代表性发现连同众多相关研究，确立了工艺参数与元素组成、芳香性、结晶度、孔隙结构和矿物相演变之间的重要关系。然而，这些转化主要被解释为对热解温度升高的独立响应，而不是连续碳化过程中相互关联且潜在非同步的组成部分。因此，它们在生物质到碳转化过程中的耦合演变和相对进展仍未得到充分解决。为了增强对生物质碳化的基本理解并促进不同木质纤维素原料之间的有意义的比较，开发一个连贯的框架以将这些转化描绘为统一的碳化路径是非常必要的。*Sterculia foetida* (SF) 壳是一种木质纤维素生物质，通常来自 *Sterculia foetida* 种子的加工。然而，截至目前，SF 壳在热解过程中的碳化行为和结构变化尚未得到研究。根据 Madhavan 等人 [13] 和 Lin 等人 [14] 的研究，SF 壳具有坚硬的木质纤维素结构和显著的碳含量。这使得 SF 壳成为考察生物质转化为富碳材料的渐进过程的适当前驱体。除了揭示这种未被充分利用的生物质碳化行为的见解外，了解其碳骨架如何在增加的热严重程度下转化，也有助于推进对木质纤维素生物质中生物质到碳转化的理解。
因此，本研究旨在阐明控制 *Sterculia foetida* (SF) 壳在热解过程中结构演变的碳化路径。系统调查了在 400-700?°C 温度范围内生产的生物炭，以捕捉从原生木质纤维素基质到芳香碳骨架的渐进转化。本研究重点不在于重新确立文献中已报告的个别温度依赖效应，而是关注化学转化、碳结构演变、孔隙发展和矿物重新分布如何在碳化过程中共同演变。它们的综合解释提供了一个实验支持的框架，用于区分持续进行的碳成熟与孔隙结构和无机矿物富集的温度依赖性变化。基于这种综合解释，提出了一个实验支持的概念性碳化路径，以描述热解过程中碳的演变。这些发现为控制生物质碳化的基本原理提供了新见解，并为理解木质纤维素生物质中碳结构演变建立了一个综合框架。
章节片段
生物质收集与制备
*Sterculia foetida* (SF) 壳收集自印度泰米尔纳德邦哥印拜陀地区。收集的 SF 壳随后通过研磨制成粉末，并进行筛分以获得 <250?μm 的粒径。制备好的 SF 壳粉末储存在密封袋中供进一步分析。
生物质表征
SF 壳的 moisture content、volatile matter 和 ash content 分别根据 E871-82、E872-82 和 E1755-01 ASTM 标准确定。固定碳含量是通过计算得出的
SF 壳的初始特性及热分解
SF 壳的初始理化特性见表 1。SF 壳表现出较高的挥发分含量 (73.85%) 和相对较低的灰分含量 (4.72%)，突出了其在热解过程中的高反应性以及热转化后留下的最少的无机残留物。较高的挥发分含量表明加热过程中预计会有大量的脱挥发分，这有助于释放可冷凝和不可冷凝挥发分，同时促进该
结论
当前研究调查了 *Sterculia foetida* 壳在 400-700?°C 温度范围内热解过程中的碳化路径和结构演变。提高热解温度逐渐促进了脱挥发分、脱氧、碳富集和芳香缩合，这由固定碳的增加以及 H/C 和 O/C 原子比的减少所证明。含氧和脂肪族官能团的损失伴随着渐进性重组
CRediT 作者贡献声明
V. Karuppasamy Vikraman: 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。 G. Boopathi: 写作 – 审查与编辑，调查，概念化。 S. Monisha: 写作 – 审查与编辑，资源。 D. Praveen Kumar: 写作 – 审查与编辑，方法论，调查。
关于在稿件准备过程中使用生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
在准备本稿件期间，作者使用 ChatGPT 来纠正语法错误。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。
致谢
作者向 Amrita Vishwa Vidyapeetham, 哥印拜陀的 Amrita 农业科学学院；Erode, 萨蒂亚曼加拉姆的 Bannari Amman 理工学院；以及钦奈阿瓦迪的 Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala 科学技术研发学院表示感谢，感谢他们在促成本研究所需必要资源方面提供的宝贵支持。作者衷心感谢 Amrita
V. Karuppasamy Vikraman|G. Boopathi|S. Monisha|D. Praveen Kumar
