生物炭层提高了玉米秸秆富氢气体的产量

钱伯章 2026-01-07

2026 年 1 月《生物炭》杂志刊文，中国农科院团队开发两阶段催化过程，让玉米秸秆蒸汽先经生物炭层再通过镍基催化剂，氢含量最高达 48.87%，还能减少催化剂结焦，兼具技术与经济价值。

根据《生物炭》杂志上2026年1月1日的一项研究，生物炭可以帮助将玉米秸秆等农业残留物转化为富氢气体，同时限制金属催化剂上的碳沉积。

研究人员开发了一种两阶段催化过程，其中玉米秸秆蒸汽首先通过生物炭层，然后通过镍基催化剂，产物气体中的氢含量增加了一倍以上，与非催化热解相比，催化剂焦化的程度大大降低。

中国农业科学院的研究团队使用了一个高温热解反应器和一个定制的催化剂床来处理玉米秸秆。

通过调整反应器温度、催化剂负载和催化剂组成，他们在一个催化阶段获得了重量产率超过70%的气体，氢气浓度达到体积的45.24%。

当他们引入生物炭作为预催化剂层时，氢的体积分数进一步上升到48.87%。

作者指出，催化生物质转化通常面临低氢选择性和重碳沉积，这使镍催化剂失活。

镍基材料可以有效地破坏碳氢键和碳碳键，但当暴露于含焦油的生物质蒸汽时，往往会结焦，随着时间的推移，活性会降低。

因此，该团队配置了反应器，使原始蒸汽首先遇到生物炭，这在物流到达镍催化剂床之前重塑了反应环境和产品分布。

在这种配置中，生物炭作为两级系统中的第一级反应性过滤器。

炭是多孔的，含有含氧官能团，吸附了大的焦油分子和活性自由基，否则会直接在金属表面形成焦炭。

在焦炭上，这些大分子焦油裂解并转化为更小的气体，然后作为更清洁、更活泼的原料进入下游催化剂。

生物炭不仅仅是这个系统的副产品，它成为了一个积极的合作伙伴，引导化学向氢方向发展，远离有问题的碳积累。

通过将生物炭置于镍催化剂之前，我们延长了催化剂的寿命，提高了气体质量，并为生物质利用创造了一个更可持续的闭环。

通过生物炭预催化，作者报告说，在所有测试的催化剂配方中，气体收率提高了近9个百分点，而焦油收率则下降了。

在生物炭层的下游，研究人员测试了一系列镍基催化剂，这些催化剂支撑在多孔氧化铝上，并用钴、铁、钼和铈等额外金属进行改性。

含铈催化剂NiCeAl2O3在单段操作中提供了最高的氢含量，在Ce3 +和Ce4 +之间的氧化还原循环的帮助下，提供了活性氧，促进了芳香焦油的裂解，抑制了凝聚碳沉积。

其他双金属配方，包括NiFe和NiMo，总的产气率很高，但倾向于甲烷，并产生更多无序的碳沉积，这表明金属成分的适度变化可以改变反应途径。

利用X射线衍射、拉曼光谱、电子显微镜和程序升温氧化等方法进行表征，揭示了分级构型如何改变碳结构和催化剂表面。

使用生物炭预催化，废催化剂含有更少的无定形碳，更多的石墨和有序沉积物，并且减少了孔隙堵塞，这表明抗失活能力提高。

炭本身变得更加石墨化和片状，这表明反应更倾向于稳定的碳形式，而不是焦油状残留物。

为了评估在实验室之外的潜在应用，该团队对处理1吨玉米秸秆进行了技术经济评估。

与传统的非催化热解相比，采用生物炭预催化阶段每公斤生物质产生0.31美元的额外净效益，因为富氢气体的产量更高，焦油处理和碳相关费用的成本更低。

相比之下，在没有生物炭层和催化剂失活更快的情况下，每公斤损失2.72美元，这反映了催化剂费用的增加和有价值气体产量的减少。

作者指出，镍催化剂仍然是一个重要的成本因素，并且在他们的实验中使用的负载超过了工业可能使用的负载。

然而，他们认为，将过程中产生的生物炭作为预催化剂回收到反应器中可以减少新鲜催化剂的需求，延长镍催化剂的使用寿命，并支持农村生物精炼厂的封闭材料循环。

他们补充说，碳定价政策、低成本生物炭的优化以及镍的强大替代品的开发可以支持将这两阶段方法扩展到可再生氢系统中。

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