论文标题：Selective preparation for biofuels and high value chemicals based on biochar catalysts

期刊：Frontiers in Energy

作者：Hui LI, Changlan HOU, Yunbo ZHAI, Mengjiao TAN, Zhongliang HUANG, Zhiwei WANG, Lijian LENG, Peng LIU, Tingzhou LEI, Changzhu LI

发表时间：15 Oct 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0878-4

微信链接：点击此处阅读微信文章

文章简介

本文综述了基于生物炭催化剂选择性制备生物燃料和高附加值化学品的最新研究进展。针对能源短缺与环境挑战，生物质热化学转化可将废弃物转化为生物油、合成气等能源产品，但其选择性较低。文章系统探讨了生物炭催化剂的改性策略，包括金属掺杂、酸碱活化及氮掺杂，揭示其通过调控活性位点、表面官能团及孔隙结构显著提升产物选择性的机制。此外，文章分析了生物炭在生物柴油、乙醇、氢气等能源产品制备中的应用，并阐述了其对酚类、有机酸等高附加值化学品合成的促进作用。研究强调，结合生物质特性优化催化剂设计与反应条件是实现高效选择性转化的关键，为废弃物资源化及绿色能源开发提供了重要理论支撑与技术路径。

研究背景及意义

为了应对能源枯竭和环境问题的双重挑战，研究人员将重点从传统能源集中转移到替代性可持续能源。生物质能源作为全球第四大能源，其热化学转化不仅能产生能源产品，还可生成高价值化学品，备受研究者关注。生物质热解是实现其高效利用的重要途径，可转化为生物油、合成气等产品。然而，传统热解方法存在副产物多、选择性差的问题。为提升目标产物的产率与选择性，选择合适的催化剂至关重要。生物炭基催化剂因来源广泛、价格低廉、绿色无污染等优势，成为极具潜力的选择。因此，在生物燃料和高价值化学品制备领域，对生物炭基催化剂的研究日益深入。

研究内容及结论

原始生物炭催化效率有限，常通过金属负载、酸碱改性和杂原子掺杂提升其对生物油和化学品的选择性。使用Ni(NO₃)₂·6H₂O浸渍的Ni掺杂生物炭催化剂在富甲烷气体、制氢和生物燃料升级方面具有重要的前景。镍颗粒在Ni/生物炭上的分散性显著增强，比表面积增加。铁能高效裂解C-C/C-O键，促进单环芳烃和酚类化合物生成。铁与其他金属共掺杂可优化合成气。锰提升氧化稳定性，锌促进芳构化等。酸和碱都可以通过改善生物炭的孔隙结构和比表面积来提高生物炭的催化活性。尿素、NH₃等氮源掺杂可引入吡啶氮和石墨氮，优化CO₂甲烷化和酚类生成。吡啶氮通过质子-电子转移促进CO₂电还原为乙醇。

图1 在吡啶和吡咯酸N位点上电还原CO₂为乙醇的计算反应能量

在生物柴油生产中，生物炭催化剂可提升其选择性，反应温度、时间、催化剂添加量和甲醇/油比等是关键影响因素。对于燃料乙醇，生物炭能通过预处理生物质、作为微生物载体等方式提高其产量和选择性。生物炭可促进甲烷合成，其表面性质和原料会影响甲烷产量。在氢气生产方面，多种生物质和催化剂组合可实现高效氢气制备，如经处理的生物质和负载金属的生物炭等。

图2 香兰素的加氢脱氧描述了一种合理的机制

生物炭催化剂在酚类、酸类和呋喃类等产品制备中表现出色。如 Fe、Pd等改性的生物炭可提高酚类化合物产量；特定温度制备的生物炭能增强酸类物质的生物合成；化学预处理和生物炭催化可促进呋喃类及其衍生物的生成和转化。

图3 从木质纤维素生物质生产呋喃的过程

未来应聚焦生物炭催化剂的合成，提高产品选择性、可回收性并降低环境毒性。生物炭催化剂因来源广泛、无污染和高活性，在燃料和高价值产品制备中应用前景广阔，有望成为工业应用的重要力量。

文章信息

Selective preparation for biofuels and high value chemicals based on biochar catalysts

Hui LI, Changlan HOU, Yunbo ZHAI, Mengjiao TAN, Zhongliang HUANG, Zhiwei WANG, Lijian LENG, Peng LIU, Tingzhou LEI, Changzhu LI

Abstract:

The reuse of biomass wastes is crucial toward today’s energy and environmental crisis, among which, biomass-based biochar as catalysts for biofuel and high value chemical production is one of the most clean and economical solutions. In this paper, the recent advances in biofuels and high chemicals for selective production based on biochar catalysts from different biomass wastes are critically summarized. The topics mainly include the modification of biochar catalysts, the preparation of energy products, and the mechanisms of other high-value products. Suitable biochar catalysts can enhance the yield of biofuels and higher-value chemicals. Especially, the feedstock and reaction conditions of biochar catalyst, which affect the efficiency of energy products, have been the focus of recent attentions. Mechanism studies based on biochar catalysts will be helpful to the controlled products. Therefore, the design and advancement of the biochar catalyst based on mechanism research will be beneficial to increase biofuels and the conversion efficiency of chemicals into biomass. The advanced design of biochar catalysts and optimization of operational conditions based on the biomass properties are vital for the selective production of high-value chemicals and biofuels. This paper identifies the latest preparation for energy products and other high-value chemicals based on biochar catalysts progresses and offers insights into improving the yield of high selectivity for products as well as the high recyclability and low toxicity to the environment in future applications.

Keywords:

biomass; biochar catalysts; biofuels; high chemicals

Cite this article:

Hui LI, Changlan HOU, Yunbo ZHAI, Mengjiao TAN, Zhongliang HUANG, Zhiwei WANG, Lijian LENG, Peng LIU, Tingzhou LEI, Changzhu LI. Selective preparation for biofuels and high value chemicals based on biochar catalysts. Front. Energy, 2023, 17(5): 635–653 https://doi.org/10.1007/s11708-023-0878-4

扫描二维码，阅读原文

通讯作者简介

李辉，1983年生，河南洛阳人，研究员，博士，湖南省杰出青年基金获得者。2005年和2011年先后获得湖南大学环境工程本科和博士学位（硕博连读）、2009-2011年和2017-2018年分别在加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）做联合培养博士生和访问学者。2011年至今在湖南省林业科学院工作，为湖南省林业科学院首位培养的博士后，现任生物环境工程研究所所长、生物质资源化利用研究团队负责人、省部共建木本油料资源利用国家重点实验室副产物资源多层次增值研究方向负责人。研究领域：生物质资源化、污染场地生态修复、湿地恢复。担任中国可再生能源学会生物质能专业委员会委员/副秘书长、中加生物能源中心（C-CBC）成员、全国分析与应用裂解学术会议常务理事、湖南省青年科技工作者协会第一届会员以及多家国际高水平期刊编委，为湖南大学、中南林业科技大学、长江大学、江苏大学、郑州轻工业大学和浙江科技学院等高校校外硕士生指导教师，入选“湖湘青年英才”支持计划、“中国可再生能源学会优秀青年科技人才”、“湖南省林业科技创新杰出青年”和“长沙市杰出创新青年”培养计划，获得“中国产学研合作促进会创新个人奖”和“全省林业科技工作优秀个人”称号。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、人社部归国留学人员择优资助、湖南省重点研发计划、湖南省自然科学基金和长沙市科技计划等科研项目。已发表论文170篇，其中132篇被SCI收录，论文引用次数10026次，h指数56，连续3年入选全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单，申请专利36项，其中21项获得授权，获得中国发明协会创新奖一等奖（排名第1）等省部级科技奖励6项。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年Impact Factor为6.1, 在ENERGY & FUELS学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在Energy领域排名#77/299；2025年即时CiteScore为7.6（数据截至2025年6月5日）。

Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

更多信息请访问：

http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）

https://link.springer.com/journal/11708

联系我们：

FIE@sjtu.edu.cn, (86) 21-62932006

qiaoxy@hep.com.cn, (86) 10-58556482

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn