图 负碳排放的纤维素生成亚微米碳球示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：52070116）等资助下，清华大学资源环境课题组张衍国教授、周会特别研究员等人在生物质水热转化领域取得新进展。相关研究成果以“温度压力解耦条件下由纤维素水热合成亚微米碳球（Decoupled temperature and pressure hydrothermal synthesis of carbon sub-micron spheres from cellulose）”为题，于2022年6月24日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31352-x。
木质纤维素生物质，如木材、草和农业废弃物，由纤维素、半纤维素和木质素组成，是一种可再生的碳中性资源。纤维素作为木质纤维素生物质的主要成分，是自然界中最丰富的可持续碳源，同时也是纸和棉基纺织品的主要成分。因此，纤维素的高附加值利用有望有助于缓解能源危机和全球变暖，助力我国“双碳”目标的实现。纤维素的水热转化可产生固体碳材料、液体生物油和可燃气体。其中的固体碳材料，可用于净水、储能和催化等多种领域。传统的批次反应器因其操作简单、适用性强，被广泛用于纤维素等固体物质的水热过程研究。然而，在典型的批次反应器中，温度和压力是耦合的，因此很难单独控制这两个变量，这导致所谓的现有研究的“温度效应”可能本质上是温度和压力的综合影响。
针对传统水热反应温度压力耦合的问题，研究团队提出温度和压力解耦的概念，设计并开发了一套温度压力解耦的水热反应系统，实现了水热过程温度和压力的解耦。基于此，研究团队发现恒定高压对于纤维素转化具有显著的促进作用，设计了纤维素的低温快速转化路线，揭示了解耦条件下的反应机理。在温度压力解耦的路线下，纤维素可以在约117℃时降解，低于传统路线近100℃。在该路线下，纤维素衍生的亚微米碳球的生产不需要任何等温时间，与需要几个小时的传统工艺相比，大大节省了反应时间。全生命周期评估表明，与传统方法相比，该方法显示出更高的能源效率，能够有效减少温室气体排放（图）。
这项工作为具有负碳效应的生物质高附加值利用提供了新的思路，有望进一步推动生物质衍生碳材料的可持续生产。