大量化石燃料的使用，導(dǎo)致全球大氣中的二氧化碳含量急劇上升，接踵而來(lái)的便是溫室效應(yīng)和海洋酸化等嚴(yán)重后果。生物質(zhì)的利用在減少全球凈碳排放方面具有巨大潛力，通過(guò)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳材料，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固體形式的碳儲(chǔ)存，是一種負(fù)碳排放技術(shù)。（編者注：生物質(zhì)是指植物通過(guò)光合作用生成的有機(jī)物,它包括植物、動(dòng)物及其排泄物、垃圾及有機(jī)廢水等幾大類(lèi)。）

近日，清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系、西湖大學(xué)工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種解耦溫度和壓力的水熱（DTPH）系統(tǒng)來(lái)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(fù)碳效應(yīng)的亞微米碳球，有助于推動(dòng)全球碳減排進(jìn)程。

源自清華大學(xué)官網(wǎng)說(shuō)明：纖維素作為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)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(zhuǎn)化為固體碳材料，幫助緩解能源危機(jī)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(guān)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。

相關(guān)論文

據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)使用壓力穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)控制壓力，以建立DTPH系統(tǒng)。在DTPH過(guò)程中，他們研究了纖維素在20MPa壓力下的質(zhì)量損失，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維素在117攝氏度下開(kāi)始分解，質(zhì)量損失為3.8%，并在1507攝氏度開(kāi)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(yīng)發(fā)生在大約1177攝氏度處，比先前其他研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果低近1007攝氏度。

對(duì)此，研究人員表示，如此低的反應(yīng)溫度可能是由于高反應(yīng)壓力而實(shí)現(xiàn)的。為驗(yàn)證這一假設(shè)，他們?cè)?007攝氏度和2MPa下進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與20MPa時(shí)56.5%的質(zhì)量損失相比，2MPa時(shí)的質(zhì)量損失僅為6.2%，各項(xiàng)表征檢測(cè)手段也說(shuō)明了2MPa時(shí)纖維素的結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有改變，而20MPa時(shí)則發(fā)生了顯著的碳化并形成亞微米碳球。也就是說(shuō)，正是高壓顯著促進(jìn)了纖維素的水熱反應(yīng)。

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

為研究在DTPH過(guò)程中纖維素水熱轉(zhuǎn)化的反應(yīng)機(jī)理，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了進(jìn)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(shí)的FTIR光譜與原纖維素的FTIR光譜一致，纖維素結(jié)構(gòu)沒(méi)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(guò)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(jìn)一步提高。在Raman光譜的相關(guān)結(jié)果中也可以得到類(lèi)似的信息。

為了了解亞微米碳球表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的差異，該團(tuán)隊(duì)對(duì)其表面和內(nèi)部的官能團(tuán)（指決定有機(jī)化合物化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán)）進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，亞微米碳球表面和內(nèi)部之間O/C比的差異隨著反應(yīng)程度的降低而減小，這表明其在2007攝氏度以上的結(jié)構(gòu)組成是均勻的。

生產(chǎn)具有負(fù)碳效應(yīng)的亞微米碳球

DTPH反應(yīng)中纖維素結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化

此外，他們發(fā)現(xiàn)，原始纖維素的結(jié)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(jié)晶度為93%，表明在低于1007攝氏度的溫度下，纖維素的無(wú)定形部分比結(jié)晶部分更容易分解；當(dāng)溫度達(dá)到2007攝氏度時(shí)，纖維素的結(jié)晶度進(jìn)一步損失；當(dāng)溫度斜坡上升到3007攝氏度時(shí)，纖維素完全轉(zhuǎn)化為無(wú)定形相。

正是基于上述分析，該團(tuán)隊(duì)提出了DTPH工藝下纖維素轉(zhuǎn)化的機(jī)理，即纖維素首先在1007攝氏度以下經(jīng)歷表面無(wú)定形相分解的過(guò)程，溫度達(dá)到1007攝氏度～1507攝氏度時(shí)，纖維素的結(jié)晶相開(kāi)始隨著表面上球體的形成而降解。在2007攝氏度時(shí)，纖維素的殘余棒狀結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)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(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的逐漸統(tǒng)一。

總的來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)在其原創(chuàng)性提出的DTPH工藝中實(shí)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?cè)谳^低溫度和高壓水的促進(jìn)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(shù)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(zhì)的高附加值利用提供新的可能性。