將木質(zhì)素生物油轉(zhuǎn)化為碳氫化合物的新的低溫多相工藝可以幫助擴大木質(zhì)素的用途，木質(zhì)素現(xiàn)在主要是樹木和其他木本植物生產(chǎn)纖維素和生物乙醇后留下的廢物。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員使用超酸和鉑顆粒的雙催化劑系統(tǒng)，表明它們可以添加木質(zhì)素生物油中的氫并除去氧，使該油更可用作燃料和化學(xué)原料。該過程基于異常的氫循環(huán)，可以在低溫和環(huán)境壓力下完成，從而提高了升級的實用性并減少了所需的能量輸入。

佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院和可再生生物產(chǎn)品研究所的教授鄧玉林說：“從環(huán)境和可持續(xù)性的角度出發(fā)，人們希望使用由生物質(zhì)生產(chǎn)的石油。” “全世界紙和生物乙醇生產(chǎn)中的木質(zhì)素產(chǎn)量為每年5000萬噸，其中95%以上只是燃燒產(chǎn)生熱量。我的實驗室正在尋找升級低分子量木質(zhì)素化合物的實用方法，使其在商業(yè)上可行。高質(zhì)量的生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)。”

該過程已在9月7日的《自然能源》雜志上進行了描述。這項研究得到了佐治亞理工學(xué)院可再生生物產(chǎn)品研究所的支持。

纖維素，半纖維素和木質(zhì)素是從樹木，草和其他生物質(zhì)材料中提取的。纖維素用于制造紙張，乙醇和其他產(chǎn)品，但是木質(zhì)素(一種能增強植物強度的復(fù)雜材料)在很大程度上尚未使用，因為它很難分解成低粘度油，可以用作煤油的起點。或柴油。

在高于400攝氏度的溫度下進行的熱解技術(shù)可用于從木質(zhì)素中生成生物油，例如苯酚，但這些油缺乏足夠的氫，并且含有太多的氧原子，無法用作燃料。解決該挑戰(zhàn)的當(dāng)前方法包括通過稱為加氫脫氧的催化過程添加氫并除去氧。但是現(xiàn)在該工藝需要的高溫和高壓是環(huán)境溫度的十倍，并且會生成焦炭和焦油，從而迅速降低鉑催化劑的效率。

Deng及其同事著手開發(fā)一種基于溶液的新方法，該方法將使用氫緩沖催化系統(tǒng)添加氫并從油性單體中除去氧。由于氫在水中的溶解度非常有限，因此木質(zhì)素生物燃料在溶液中的氫化或加氫脫氧反應(yīng)非常困難。鄧的小組使用多金屬氧酸鹽(SiW 12)作為氫轉(zhuǎn)移劑和反應(yīng)催化劑，通過可逆的氫萃取幫助將氫氣從氣-液界面轉(zhuǎn)移到本體溶液中。然后，該過程在碳上鉑納米顆粒表面釋放了氫作為活性物種H *，解決了氫在低壓下在水中的低溶解度的關(guān)鍵問題。

鄧說：“在鉑上，多金屬氧酸鹽會捕獲氫中的電荷，形成可溶于水的H +，但電荷可逆地轉(zhuǎn)移回H +，從而在溶液內(nèi)形成活性H *。” 結(jié)果很明顯，氫氣轉(zhuǎn)移到水相中形成活性H *，可以與溶液中的木質(zhì)素油直接反應(yīng)。

在異常氫氣循環(huán)的第二部分，多金屬氧酸鹽為從生物油單體中除去氧氣奠定了基礎(chǔ)。

鄧說：“超強酸可以減少除去氧氣所需的活化能，同時，溶液中還有更多的活潑氫H *，它會與油分子發(fā)生反應(yīng)。” “在溶液中，催化劑表面上的活性氫原子H *和木質(zhì)素油快速反應(yīng)。氫與多金屬氧酸鹽可逆反應(yīng)形成H +，然后在鉑催化劑表面上形成氫原子H *是獨特的。可逆循環(huán)。”

鉑顆粒和多金屬氧酸鹽可以重復(fù)使用多個周期而不會降低效率。研究人員還發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素油的氫化和加氫脫氧效率取決于油中的特定單體。

鄧說：“我們測試了熱解產(chǎn)生的15或20個不同分子，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的范圍從低端的50%到高端的99%，” “我們沒有比較能源輸入成本，但是轉(zhuǎn)換效率至少比在類似的低溫，低氫壓條件下所報告的要好十倍。”

在較低的溫度(低于100攝氏度)下運行，減少了鉑催化劑上形成焦炭和焦油的問題。鄧和他的同事發(fā)現(xiàn)，他們可以使用相同的鉑至少十次而不會降低催化活性。

未來的挑戰(zhàn)之一是通過使用不同的金屬催化劑體系來提高產(chǎn)品的選擇性，以及開發(fā)用于分離和純化溶液中不同木質(zhì)素生化試劑的新技術(shù)。鉑金價格昂貴，并且對其他應(yīng)用程序有很高的需求，因此，找到一種成本更低的催化劑可以提高該工藝的整體實用性，并可能使其更具選擇性。

在幫助滿足對生物基油的需求的同時，這項新技術(shù)還可以通過為木質(zhì)素提供潛在的收入來源而使森林產(chǎn)品，造紙和生物乙醇行業(yè)受益，木質(zhì)素通常只是燃燒產(chǎn)生熱量。

“到2019年，全球木質(zhì)素市場規(guī)模估計為9.545億美元，僅占全球生產(chǎn)的木質(zhì)素的很小一部分。顯然，該行業(yè)希望通過將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或生物油來找到更多的應(yīng)用。”，鄧小平說。“以更好的方式使用這種材料也將帶來環(huán)境效益。”