常见金属催化剂在生物质热解中作用的研究进展：最新综述

常见金属催化剂在生物质热解中作用的研究进展：最新综述Green Chemistry(IF 11.034)Pub Date:2022-05-09DOI:10.1039/d1gc04537g在

常见金属催化剂在生物质热解中作用的研究进展：最新综述
Green Chemistry(IF 11.034)

Pub Date:2022-05-09

DOI:10.1039/d1gc04537g

在过去的几十年中，人们对开发热解途径以从生物质生产高质量化学品的兴趣日益浓厚。然而，生物质热解生产的生物油存在诸多缺陷，严重限制了其进一步应用。一种有前途的升级技术被认为是催化方法在生物质热解中的应用。在各种催化剂中，金属催化剂由于其灵活的可定制性和独特的特性而得到了很好的发展。

本综述致力于揭示不同金属催化剂（单金属和多金属催化剂，包括Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、Fe、Co、Ni、Cu及其组合）催化生物质转化途径的原因以及催化过程中金属催化剂的转化机理。还介绍了不同金属催化剂之间的相互作用以及该组合提高催化活性的原因。最后提出了金属催化在生物质热解领域未来发展的研究趋势和展望。

随着化石燃料的使用和相关污染的增加，人们迫切地寻找可持续和可再生能源的选择，例如太阳能、潮汐能、风能和生物质能。其中，生物质能因其储量丰富、成本相对较低而受到广泛关注。利用生物质能的主要方法包括直接燃烧、发酵、气化、热解、超临界流体萃取和直接液化。

其中，热解是利用生物质的最有前途的方法之一。生物质热解是指生物质在惰性环境（通常通过引入惰性气体或抽真空产生）和高温条件（通常为 400–550 °C）中的热化学转化。它通常产生气体（CO2、CO、H2、CH4等）、生物油（酚类、酮类、呋喃类、醛类、醇类等）和生物炭（含碳量高的不溶性固体物质）产品。生物油作为其主要产品，与化石燃料相比具有含氧量高、含水量高、热值低、pH值低等诸多缺点。这些缺点阻碍了它的应用，因此需要一些升级措施来提高生物油的质量。

生物质的性质可以通过物理、化学、生物以及不同预处理方法的组合来改善，例如破碎、干燥、酸洗、烘焙、离子液体预处理和生物预处理。因此，不断变化的生物质热解过程可能会改善产品的分布，并提高生物油的质量。此外，使用催化剂也是提高生物油质量的最重要途径之一。选择合适的催化剂可以优化反应条件，提高生物油的质量，选择性地获得高附加值的化工产品。

热解过程中催化剂的使用可分为原位催化和非原位催化催化。这两种方法的主要区别在于催化剂在热解过程中的位置相对于热解反应器是在外部还是内部。对于原位催化，将催化剂和原料混合在一起，并放置在热解反应器内；这直接影响热解蒸汽形成之前的生物质原料。非原位催化是指将催化剂置于反应器后的管道中，裂解蒸气通过催化剂，进入冷凝系统的方法。通常添加加热装置以防止蒸气冷凝并保持催化剂的活性。

已经研究了各种催化剂类型，例如：碱金属催化剂、碱土金属催化剂 (AAEM)、金属氧化物、分子筛和过渡金属催化剂，以优化产率和所得生物油的性能。除此之外，生物质本身的金属成分和含量，也会对热解产物产生一定的影响。这些工艺参数提供了重要的原因，为什么不同的热解条件会导致不同的生物油含量，除了不同的木质纤维素含量。本文主要根据金属催化剂的种类介绍它们的催化作用。

在催化领域，许多金属催化剂及其氧化物表现出特殊的特性，因为它们能够在化学反应中提供空轨道或电子，从而产生中间产物并降低反应活化能，从而使后续反应更容易。与过渡金属催化剂相比，主族金属催化剂在催化领域相对平庸，这是由于主族金属催化剂大多为强电子给体，与电子受体结合力强，趋于形成稳定的化合物。

尽管如此，一些主族金属离子和氧化物在催化领域也有一定的地位，这是由于一些主族金属氧化物的多孔结构，可以作为高表面积的载体。此外，一些主族金属催化剂的阳离子是强路易斯酸位点，可以进行简单的电子转移，促进催化反应。这些具有催化活性的金属催化剂及其氧化物已广泛应用于生物质热解催化领域，在能源转换、化工生产和环境保护等方面发挥着重要作用。

尽管许多评论都关注用于生物质转化的金属催化剂，但相对较少关注各种金属催化剂用于生物质热解的催化机制。这些评论主要关注生物源原料直接催化转化为化学品，热化学相关催化剂的一般介绍和特定催化剂的介绍。

Nzihou等人回顾了生物质中灰分含量对热解产物和木质纤维素结构的影响，并讨论了其他金属催化剂对热解产物的影响，但没有关注热解中使用的所有金属催化剂的作用，以及它们的不同价态。

卢普等人重点研究含氧模型化合物金属催化脱氧的反应机理和动力学，但他们主要关注化合物的脱氧机理，而不是金属催化剂的催化机理。这些综述主要集中在介绍不同的处理方法、生物质热解的针对性催化剂及其对产品分布的影响。

因此，应建立金属催化热解技术的综合知识，包括金属催化剂在催化剂中的影响（原位和非原位）关于热解产物的分布，金属催化剂在热解材料本身的热解中的催化机理，以及如何有针对性地设计催化剂。

本文综述了不同价态的单金属和多金属催化剂（包括Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、Fe、Co、Ni、Cu及其组合）在热解中的催化性能和机理。首先，根据不同的金属类型和价态分析催化机制（第 2 节）。同时，对生物质中所含金属的热解机理进行了综述。然后，根据不同金属催化剂的组合，介绍了多金属催化剂的相互作用以及催化过程中的机理（第3节）。此外，还提出了金属催化在热解领域的一些前景。