生物質轉化關注碳儲存與負碳排放

大量化石燃料的使用，導致全球大氣中的二氧化碳含量急劇上升，接踵而來的便是溫室效應和海洋酸化等嚴重后果。生物質的利用在減少全球凈碳排放方面具有巨大潛力，通過將生物質轉化為碳材料，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的固體形式的碳儲存，是一種負碳排放技術。（編者注：生物質是指植物通過光合作用生成的有機物,它包括植物、動物及其排泄物、垃圾及有機廢水等幾大類。）

近日，清華大學能源與動力工程系、西湖大學工學院團隊開發(fā)了一種解耦溫度和壓力的水熱（DTPH）系統(tǒng)來研究纖維素的碳化，該系統(tǒng)可以在恒定的壓力和低降解溫度下，從纖維素中快速生產(chǎn)具有負碳效應的亞微米碳球，有助于推動全球碳減排進程。

源自清華大學官網(wǎng)說明：纖維素作為木質纖維素生物質的主要成分，是自然界中最豐富的可持續(xù)碳源。它可以被轉化為固體碳材料，幫助緩解能源危機和全球變暖，且生成的碳材料可用于電容器電極、廢水處理和燃料電池等。

相關論文以《解耦溫度和壓力由纖維素水熱合成亞微米碳球》為題發(fā)表。

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據(jù)了解，該團隊使用壓力穩(wěn)定系統(tǒng)來控制壓力，以建立DTPH系統(tǒng)。在DTPH過程中，他們研究了纖維素在20MPa壓力下的質量損失，結果發(fā)現(xiàn)，纖維素在117攝氏度下開始分解，質量損失為3.8%，并在1507攝氏度開始形成亞微米碳球。這一現(xiàn)象表明，在20MPa壓力下，纖維素的快速水熱反應發(fā)生在大約1177攝氏度處，比先前其他研究的實驗結果低近1007攝氏度。

對此，研究人員表示，如此低的反應溫度可能是由于高反應壓力而實現(xiàn)的。為驗證這一假設，他們在2007攝氏度和2MPa下進行了對照實驗。結果表明，與20MPa時56.5%的質量損失相比，2MPa時的質量損失僅為6.2%，各項表征檢測手段也說明了2MPa時纖維素的結構幾乎沒有改變，而20MPa時則發(fā)生了顯著的碳化并形成亞微米碳球。也就是說，正是高壓顯著促進了纖維素的水熱反應。

需要注意的是，亞微米碳球可以在沒有任何等溫時間的情況下合成，與傳統(tǒng)的水熱過程相比要快得多。此外，DTPH體系中水熱反應的活化能為112kJmol–1，低于常規(guī)纖維素水熱反應，這進一步展示出DTPH系統(tǒng)的優(yōu)勢。

為研究在DTPH過程中纖維素水熱轉化的反應機理，該團隊還進行了進一步的分析。在傅里葉變換紅外（FTIR）分析中，他們發(fā)現(xiàn)，水熱產(chǎn)物在1007攝氏度時的FTIR光譜與原纖維素的FTIR光譜一致，纖維素結構沒有變化；相比之下，從2007攝氏度和3007攝氏度下獲得的水熱產(chǎn)物的FTIR光譜觀察到明顯變化，纖維素在水熱過程中脫水；從2007攝氏度到3007攝氏度，纖維素的芳香化和脫水程度進一步提高。在Raman光譜的相關結果中也可以得到類似的信息。

為了了解亞微米碳球表面和內部結構之間的差異，該團隊對其表面和內部的官能團（指決定有機化合物化學性質的原子或原子團）進行了研究。結果表明，亞微米碳球表面和內部之間O/C比的差異隨著反應程度的降低而減小，這表明其在2007攝氏度以上的結構組成是均勻的。

生產(chǎn)具有負碳效應的亞微米碳球

DTPH反應中纖維素結構的轉化

此外，他們發(fā)現(xiàn)，原始纖維素的結晶度為88%，而水熱處理的纖維素產(chǎn)物在1007攝氏度下的原始纖維素的結晶度為93%，表明在低于1007攝氏度的溫度下，纖維素的無定形部分比結晶部分更容易分解；當溫度達到2007攝氏度時，纖維素的結晶度進一步損失；當溫度斜坡上升到3007攝氏度時，纖維素完全轉化為無定形相。

正是基于上述分析，該團隊提出了DTPH工藝下纖維素轉化的機理，即纖維素首先在1007攝氏度以下經(jīng)歷表面無定形相分解的過程，溫度達到1007攝氏度～1507攝氏度時，纖維素的結晶相開始隨著表面上球體的形成而降解。在2007攝氏度時，纖維素的殘余棒狀結構完全轉化為平均直徑為383毫米的均勻球體，其六元吡喃環(huán)被切割形成許多不飽和鍵，而球體的形成也伴隨著表面和內部化學結構的逐漸統(tǒng)一。

總的來說，該團隊在其原創(chuàng)性提出的DTPH工藝中實現(xiàn)了纖維素的低溫快速水熱碳化。相比于先前的研究，他們在較低溫度和高壓水的促進作用下，以更快的速度生產(chǎn)出直徑較小的亞微米碳球；其中，高壓水的作用在于破壞氫鍵，激活C-H鍵，催化脫水，而不是直接參與纖維素的水解。

研究人員在論文中表示，與傳統(tǒng)的水熱碳化途徑相比，該技術不僅提高能源效率并減少碳足跡，還將為碳材料的可持續(xù)生產(chǎn)和生物質的高附加值利用提供新的可能性。