【生物质废物回收】HE：生物质废弃物碳负价态转化为可负担的绿色氢气和电池阳极—Hanmin Yang

【生物质废物回收】HE：生物质废弃物碳负价态转化为可负担的绿色氢气和电池阳极—Hanmin Yang

【论文链接】

【作者单位】

英国皇家理工学院、上海交通大学、南京林业大学、中国林业科学研究院林产化学研究所

抽象的

全球可持续发展目标强调需要负担得起的清洁能源，被指定为SDG7。

提出了一种可持续、可行的生物精炼概念，用于生物质废弃物的碳负利用，生产价格低廉的氢气和电池阳极材料。

构建了创新的串联生物炭塔NiAlO塔生物炭催化剂策略，实现生物质热解蒸汽完全重整为氢气塔CO（作为混合物）。

热解后的固体残渣转化为高质量的硬碳（HCS），显示出作为钠离子电池（SIBs）阳极的潜力。产物HC-用作（SiBs）阳极时表现出良好的电化学性能（全电池：263Wh/kg，ICE 89%）。最后，设计、模拟和评估了整个工艺流程。该工艺每吨生物质可生产75公斤氢气、169公斤HCH和891公斤二氧化碳捕获量，碳和氢的利用效率达到约100%。生命周期评估估计了负排放生物质定价过程（-0.81公斤二氧化碳/公斤生物质，依赖瑞典风能）。技术经济评估预测，该工艺可联合生产价格实惠的氢气和硬碳电池阳极，将带来可观的利润。 假设 HFC 的参考价格为 13.7 V/kg，氢气的参考价格为 5 V/kg，则该工艺的投资回收期预计在两年内。

该过程为可持续和商业上可行的生物精炼过程提供了新的商业范例，实现了将生物质废弃物转化为可负担的能源和材料的碳负转化。

【实验方法】

生物质加工：

本研究中使用的生物质是从 AB (SCA) 获得的松木和云杉的混合物。生物质原料的特性列于表 S1 中。在实验之前，将生物质样品在 105°C 的烤箱中干燥，直到达到一致的重量。随后，对样品进行筛选，以选择尺寸范围为 1e1.25 毫米的颗粒。

催化剂制备：

本研究用于碳重整的生物炭催化剂是通过在 800 °C 下热处理生物质热解生物炭（表示为 -500）3 小时（表示为 -800）制备的。此后，使用粒径范围为 1–1.25 毫米的生物炭来实现合理的压降。生物炭和生物炭的元素组成也列于表 S1 中。

尖晶石型催化剂（NiAlO 尖晶石）是通过用硝酸镍（II）六水合物（Ni(NO3)2·6H2O）水溶液浸渍 Ƴ-Al2O3 载体来制备的。在本研究中，催化剂中的 Ni 负载量为 10 wt%。为了制备催化剂，首先将 Al2O3 颗粒研磨成粉末状。随后，用（Ni(NO3)2·6H2O）溶液浸渍粉末状的 Ƴ-Al2O3。然后将混合物在室温下置于磁力搅拌下 3 小时以完全浸渍。此后，将浆料放入 105 °C 的干燥炉中过夜。最后，将催化剂在 750 °C 的马弗炉中煅烧 3 小时。然后将催化剂在 750 °C 的马弗炉中煅烧 3 小时。 进行实验之前，将制备的催化剂研磨并筛分，使其粒径范围为1-1.25毫米。

采用串联生物炭+NiAlO尖晶石+生物炭催化剂进行生物质热解和在线催化重整：

本研究采用两级反应器进行了串联生物炭+NiAlO尖晶石+生物炭催化剂的生物质热解和在线催化重整试验，如图S1所示。整个系统由载气供给部分、两级固定床反应器、冷却部分和在线气体收集分析部分组成。两级反应器系统由两个炉子组成，左炉为热解反应器，右炉为催化重整反应器。实验前，催化重整反应器中装入5g生物炭、尖晶石催化剂和另5g生物炭，分层排列。此外，10g生物质样品预先储存在短储存管中。氮气（N2）用作载气和保护气，以200 mL/min的流速通入系统。 然后将热解反应器和催化重整反应器加热到各自的设定温度：热解反应器为 500 °C，催化重整反应器为 800 °C。两个反应器达到所需温度后，将生物质样品送入热解反应器开始测试。然后将所得的升级挥发物浸入一系列冷却瓶中，冷却瓶置于约 15°C 的冷却浴中，以进行冷凝。将不凝性气体收集在 25 L 气袋中以供进一步分析。

生物炭的两步热处理：

通过两步热处理，生物质热解过程中产生的生物炭进一步升级。碳化过程在惰性气氛中使用氮气在 800°C 的温度下进行。该过程的主要目的是去除所有挥发性物质并产生生物炭作为催化剂和硬碳前体。从热解反应器收集的生物炭被转移到硅舟中并放置在反应器中。然后以 200 mL/min 的流速引入氮气作为载气。以 30°C 的加热速率将反应器加热至 800°C。达到此温度后，保持此温度 3 小时。

随后对生物炭（包括废生物炭催化剂）进行高温热处理，生成可用作SIBs阳极的HC。高温热处理采用感应炉。将生物炭粉末放入石墨坩埚中，然后转移到感应炉中。石墨坩埚用氧化铝制成的耐火砖盖包裹，以减少热处理过程中的热量损失。以流速为500 mL/min的氩气作为载气和保护气，确保惰性气氛，并将石墨坩埚均匀加热至设定温度。测试了两种不同的加热温度（1400°C和1600°C）和两种不同的热处理时间（3h和6h），以研究HC的电化学性能与结构之间的相关性。

【图片摘录】

【主要结论】

提出了一种可持续、可行的生物精炼厂，实现生物质废弃物的碳负利用，转化为经济实惠的绿色氢气和电池阳极。主要结论如下：

1. 构建了串联生物炭塔NiAlO尖晶石生物炭重整催化剂，通过选择性地促进不同催化层中不同类型的反应，将生物质热解蒸汽高效稳定地转化为氢塔CO（混合物）。提出的催化剂策略可获得超过91wt％的合成气和超过83vol％的氢塔CO含量。

2. 采用两步热处理工艺将生物质热解残渣转化为高品质硬碳作为钠离子电池负极，以HC-1600-6H样品为负极组装的全电池组件具有较好的性能（263Wh/kg，内燃机效率89%）。表征结果表明HC-1600-6H结构中富含纳米石墨化域和封闭通道，具有优异的电化学性能。

3. 在此基础上，设计、模拟和评估了整个工艺流程。模拟结果表明，每吨生物质废弃物可产生 75 千克氢气（纯度 99.9%）、169 千克 HCH 和 891 千克 CO2（纯度 95%）。生命周期评估估计该工艺为负排放生物质废弃物价格工艺（基于瑞典风力发电，0.81 千克 CO2 当量/千克生物质）。在不考虑负排放的情况下，该工艺还可产生低碳足迹 H2（基于瑞典风力发电，1.01 千克 CO2 当量/千克氢气）和硬碳（基于瑞典风力发电，0.44 千克 CO2 当量/千克 HCH）。技术和经济评估预测，生产具有成本效益的氢气和硬碳电池阳极的工艺将非常有利可图。以碳氢化合物和氢气的参考价格分别为 13.7 V/kg 和 5 V/kg 计算，该工艺的投资回收期不超过两年。 催化剂的成本及其相关排放对该工艺的经济性能和总体排放的影响微乎其微。