论文标题： Breakthrough of Carbon–Ash Recalcitrance in Hydrochar via Molten Carbonate: Engineering Mineral-Rich Biowaste Toward Sustainable Platform Carbon Materials

期刊：Engineering

作者：Zihan Wang, Leli Zhang, Yuanhui Zhang, Zhidan Liu

发表时间： May 2024

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.009

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生物炭在可持续发展背景下的应用受到广泛关注，水热炭化技术提供了一种湿生物废弃物的快速无干燥增值策略，然而生物质废弃物资源的多样性带来了水热生物炭结构和功能的不确定性和异质性。碳–灰的顽固性问题是影响生物废弃物水热炭性能的瓶颈之一，灰分对碳基质的包覆显著降低了炭表面活性组分的可及性。因此，阐明和打破水热炭的“碳-灰屏障”、重构骨架结构对于高灰分生物质废弃物基水热炭的功能化应用具有重要的科学价值和应用价值。

中国农业大学刘志丹教授研究团队在中国工程院院刊Engineering 发表了题为Breakthrough of carbon-ash recalcitrance in hydrochar via molten carbonate: Engineering mineral-rich biowaste toward sustainable platform carbon materials（通过熔融碳酸盐突破水热炭中的碳–灰顽固性：将富含矿物的生物质废弃物工程化为可持续的平台碳材料）的研究性文章，提出使用熔融碳酸盐来识别和重构高灰分水热炭碳-灰耦合刚性结构，并选用氨气（NH₃）作为目标环境污染物，通过实验表征和理论计算，讨论水热炭多相成分的转化与其物化性质联系。

图. 基于熔融碳酸盐的高灰分水热炭“碳-灰”刚性结构打破与重构示意

值得注意的是，碳酸氢钠（NaHCO₃）与水热炭表面化学性质和结构的高温演变过程中，碳表面功能基团的氧化还原效应将碳酸钠（Na₂CO₃）熔融温度降低至800 ℃以下。这一驱动机制确保了高反应性的熔融盐能有效打破有机层与矿物质之间的相互保护关系，通过与无机组分相互作用促进灰分的溶解。这一策略成功应用于水热炭骨架的重建，形成了开放的内部孔道和活性缺陷边缘。此外，碳表面NH₃的结合造成石墨层上的电子转移促进了超氧离子的形成，并导致了部分含氮基团的氧化，多次吸附衰减由开放结构和暴露的活性基团共同决定。

总之，理解和改善水热炭的结构–应用关系在设计水热炭基材料实现功能化应用方面发挥重要作用。该工作阐明了NaHCO₃如何在改善水热炭表面化学和结构的同时打破碳灰的顽固性，启发了后续研究从高灰分生物废弃物中更加理性的设计工程水热炭的思路，并研究了小分子污染物NH₃在碳表面的吸附和扩散性能，进一步支持了在实际工程应用场景中评估炭吸附剂对NH₃吸附能力。下一步的研究可通过精确计算模拟对无序碳结构特征进行深入研究，以便构筑性能更加优越的水热炭结构。此外，需要关注回收熔融盐离子和高灰分生物质的微量无机残留物（如Si、Ca、P和Mg），以避免潜在废水污染问题。

引用信息：Zihan Wang, Leli Zhang, Yuanhui Zhang, Zhidan Liu, Breakthrough of Carbon–Ash Recalcitrance in Hydrochar via Molten Carbonate: Engineering Mineral-Rich Biowaste towards Sustainable Platform Carbon Materials, Engineering, 2024.

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https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.009

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