《Renewable Energy》：Green Diesel Production via Biodiesel Upgrading over Ru/Nitrogen-Doped Carbon Catalysts Derived from Yeast Cell Wall Waste
编辑推荐：
摘要
为实现将微生物脂质中的生物柴油（脂肪酸甲酯）升级为绿色柴油（碳氢化合物）的可持续策略，同时实现对废弃副产品的有效利用，本文采用了一种新方法。利用Rhodosporidium toruloides酵母细胞壁中的固有氮元素，将其转化为掺氮活性炭（NC），作为贵金属氢脱氧催
摘要
为实现将微生物脂质中的生物柴油（脂肪酸甲酯）升级为绿色柴油（碳氢化合物）的可持续策略，同时实现对废弃副产品的有效利用，本文采用了一种新方法。利用Rhodosporidium toruloides酵母细胞壁中的固有氮元素，将其转化为掺氮活性炭（NC），作为贵金属氢脱氧催化剂的载体。在四种催化剂中，Ru/NC表现出最佳性能，在甲酸硬脂酯的氢脱氧过程中实现了100%的转化率和84.71%的烷烃产率。结构和理论分析表明，Ru原子会向吡咯氮位点转移电子（1.03e–）。此外，Ru/NC还具有更强的碱性和对中间脂肪酸的更强吸附能力。应用于R. toruloides产生的生物柴油后，Ru/NC的转化率达到100%，C14–C18烷烃产率为91.46%。本研究为将废弃物利用融入生物柴油升级过程提供了可行的途径。
引言
人口增长、环境污染和全球变暖加剧了对替代能源的关注[1]。生物柴油是一种广泛使用的可再生能源[2]，因其具有多种多样性而受到重视，它可以由多种原材料制备，包括农业废弃物[3]、废弃动物脂肪[4]和含油微生物[5]。Rhodosporidium toruloides是一种出色的含油酵母，以其高油含量、易培养性和简单加工过程而著称[6]。其脂质含量可占干细胞重量的70%，使其成为生物柴油生产的理想候选材料[7]。此外，R. toruloides能高效利用多种低成本碳源，如木质纤维素水解物和工业废料流，并且具有较快的生长速度和良好的大规模发酵适应性。这些优势使得R. toruloides成为可持续生物燃料生产的理想原料。有多种方法可用于高效将其油脂转化为生物柴油[8]。生物柴油被定义为长链脂肪酸的单烷基酯[9]。虽然生物柴油是一种有前景的可再生能源，但它也存在一些缺点：由于其含有羟基，其燃烧性能低于化石燃料，热值（HHV）较低；而且相比化石燃料，生物柴油的稳定性较差。解决这些问题的有效方法是将其氢脱氧为绿色柴油。绿色柴油的主要成分是烷烃，因此其物理化学性质与化石燃料衍生的柴油基本一致[10]。与生物柴油相比，绿色柴油的热值更高，热稳定性和氧化稳定性更好[11]。因此，氢脱氧是将其转化为绿色柴油的有效方法[12]。
氢脱氧中常用的催化剂包括贵金属[13]、Ni[14]、Co[15]和Mo[16]。典型的催化剂载体有沸石[17]、金属氧化物[18]和活性炭[19]。其中，活性炭因其能够从农业废弃物中获取，且孔结构和掺杂成分可调而得到广泛应用。掺氮活性炭能有效增强表面缺陷和活化能，促进金属颗粒的快速成核并改善金属分散[20]。此外，掺氮碳与金属离子有很强的相互作用[21]，这有助于提高金属的锚定效果和整体催化性能[22]。然而，大多数掺氮活性炭在制备过程中需要额外添加氮源，不仅增加了工艺复杂性，也提高了成本。寻找合适的氮源仍然是制备掺氮活性炭面临的挑战。
在我们之前的研究中，通过甲醇中的酸性离子液体催化溶热液化法从R. toruloides中制备了生物柴油[23]，产生的副产品之一是酵母细胞壁残渣，其中含有天然氮。这促使我们考虑是否可以利用这些残渣制备掺氮活性炭，作为生物柴油氢脱氧过程中贵金属催化剂的载体。如果成功，这一方法不仅能够实现废弃物的再利用，还能充分利用原料中的氮元素，从而实现对R. toruloides的全面利用。
基于这一假设，本文将R. toruloides的细胞壁残渣转化为掺氮活性炭，并将其用作贵金属催化剂的载体，用于生物柴油的氢脱氧反应。结果表明，生物柴油成功转化为绿色柴油（碳氢化合物），其物理和化学性质得到了显著提升。
章节摘录
材料与试剂
细胞壁残渣和生物柴油分别来自之前R. toruloides催化溶热液化实验的固体和液体产物。甲酸硬脂酯（99.0%）和α-纤维素（97%）购自中国上海的Macklin公司；十七烷（99.5%）、十八烷（99.5%）和十九烷（99.7%）购自中国上海的Aladdin公司；无水氯钌（RuCl3， Ru含量45.0%）、硝酸钯（Pd(NO3)2·2H2O，Pd含量39.0%）和氯铂酸（99.0%）也来自同一家公司。
不同催化剂的催化性能分析
为了测试不同贵金属对脂肪酸甲酯的氢脱氧效果，并筛选适合用于脂肪酸甲酯氢脱氧的贵金属，制备了5% Pt/NC、5% Pd/NC、5% Rh/NC、5% Ru/C和5% Ru/NC催化剂。实验条件为：反应温度260°C、H2压力3 MPa、反应时间5小时以及催化剂与原料的质量比为0.5，以模型化合物甲酸硬脂酯为反应对象进行了氢脱氧实验。
结论
本研究利用之前实验中产生的酵母细胞壁废弃物作为原料制备了掺氮活性炭，然后使用该活性炭制备了氢脱氧催化剂，并评估了这些催化剂对模型化合物甲酸硬脂酯的氢脱氧效果。根据实验结果，选定Ru/NC作为R. toruloides生物柴油的氢脱氧催化剂。
CRediT作者贡献声明
范永胜：撰写 – 审稿与编辑。姜建春：指导。华思洁：软件处理、实验研究。包凌欣：软件处理。钟明鑫：软件处理、实验研究。徐宇杰：软件处理、原始稿撰写及资金申请。曹新成：指导。徐俊明：概念构思。龙峰：软件处理、概念构思。
作者声明他们没有已知的可能影响本论文工作的利益冲突或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本论文工作的利益冲突或个人关系。
本研究得到了中国江苏省高等院校自然科学基金（项目编号：24KJB220012）的支持。
作者名单：陈宇伟|钟明鑫|徐宇杰|华思洁|范永胜|姜建春|龙峰|曹新成|徐俊明单位：中国盐城工程技术学院，盐城市224051
