新工艺助推木质素生物油成为下一代燃料

将木质素生物油转化为碳氢化合物的新的低温多相工艺可以帮助扩大木质素的用途，木质素现在主要是树木和其他木本植物生产纤维素和生物乙醇后留下的废物。

佐治亚理工学院的研究人员使用超酸和铂颗粒的双催化剂系统，表明它们可以添加木质素生物油中的氢并除去氧，使该油更可用作燃料和化学原料。该过程基于异常的氢循环，可以在低温和环境压力下完成，从而提高了升级的实用性并减少了所需的能量输入。

佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院和可再生生物产品研究所的教授邓玉林说：“从环境和可持续性的角度出发，人们希望使用由生物质生产的石油。” “全世界纸和生物乙醇生产中的木质素产量为每年5000万吨，其中95%以上只是燃烧产生热量。我的实验室正在寻找升级低分子量木质素化合物的实用方法，使其在商业上可行。高质量的生物燃料和生物化学物质。”

该过程已在9月7日的《自然能源》杂志上进行了描述。这项研究得到了佐治亚理工学院可再生生物产品研究所的支持。

纤维素，半纤维素和木质素是从树木，草和其他生物质材料中提取的。纤维素用于制造纸张，乙醇和其他产品，但是木质素(一种能增强植物强度的复杂材料)在很大程度上尚未使用，因为它很难分解成低粘度油，可以用作煤油的起点。或柴油。

在高于400摄氏度的温度下进行的热解技术可用于从木质素中生成生物油，例如苯酚，但这些油缺乏足够的氢，并且含有太多的氧原子，无法用作燃料。解决该挑战的当前方法包括通过称为加氢脱氧的催化过程添加氢并除去氧。但是现在该工艺需要的高温和高压是环境温度的十倍，并且会生成焦炭和焦油，从而迅速降低铂催化剂的效率。

Deng及其同事着手开发一种基于溶液的新方法，该方法将使用氢缓冲催化系统添加氢并从油性单体中除去氧。由于氢在水中的溶解度非常有限，因此木质素生物燃料在溶液中的氢化或加氢脱氧反应非常困难。邓的小组使用多金属氧酸盐(SiW 12)作为氢转移剂和反应催化剂，通过可逆的氢萃取帮助将氢气从气-液界面转移到本体溶液中。然后，该过程在碳上铂纳米颗粒表面释放了氢作为活性物种H *，解决了氢在低压下在水中的低溶解度的关键问题。

邓说：“在铂上，多金属氧酸盐会捕获氢中的电荷，形成可溶于水的H +，但电荷可逆地转移回H +，从而在溶液内形成活性H *。” 结果很明显，氢气转移到水相中形成活性H *，可以与溶液中的木质素油直接反应。

在异常氢气循环的第二部分，多金属氧酸盐为从生物油单体中除去氧气奠定了基础。

邓说：“超强酸可以减少除去氧气所需的活化能，同时，溶液中还有更多的活泼氢H *，它会与油分子发生反应。” “在溶液中，催化剂表面上的活性氢原子H *和木质素油快速反应。氢与多金属氧酸盐可逆反应形成H +，然后在铂催化剂表面上形成氢原子H *是独特的。可逆循环。”

铂颗粒和多金属氧酸盐可以重复使用多个周期而不会降低效率。研究人员还发现，木质素油的氢化和加氢脱氧效率取决于油中的特定单体。

邓说：“我们测试了热解产生的15或20个不同分子，发现转化效率的范围从低端的50%到高端的99%，” “我们没有比较能源输入成本，但是转换效率至少比在类似的低温，低氢压条件下所报告的要好十倍。”

在较低的温度(低于100摄氏度)下运行，减少了铂催化剂上形成焦炭和焦油的问题。邓和他的同事发现，他们可以使用相同的铂至少十次而不会降低催化活性。

未来的挑战之一是通过使用不同的金属催化剂体系来提高产品的选择性，以及开发用于分离和纯化溶液中不同木质素生化试剂的新技术。铂金价格昂贵，并且对其他应用程序有很高的需求，因此，找到一种成本更低的催化剂可以提高该工艺的整体实用性，并可能使其更具选择性。

在帮助满足对生物基油的需求的同时，这项新技术还可以通过为木质素提供潜在的收入来源而使森林产品，造纸和生物乙醇行业受益，木质素通常只是燃烧产生热量。

“到2019年，全球木质素市场规模估计为9.545亿美元，仅占全球生产的木质素的很小一部分。显然，该行业希望通过将木质素转化为化学品或生物油来找到更多的应用。”，邓小平说。“以更好的方式使用这种材料也将带来环境效益。”

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