鑽石舞台

Plasma-electrified up-carbonization for low-carbon clean energy

Rusen Zhou, Yadong Zhao*, Renwu Zhou*, Tianqi Zhang, Patrick Cullen, Yao Zheng, Liming Dai, Kostya (Ken) Ostrikov

Carbon Energy

DOI:10.1002/cey2.260

過度使用化石資源導致的全球能源危機和環境挑戰大力推動了對可再生能源替代品的探索。低價值甚至負價值的富碳原料，例如可再生生物質（纖維素、木質素等）、有機工農業、城市和食品垃圾等，代表着地球上豐富甚至幾乎取之不盡的碳基材料、能源和化學資源。由於來源廣泛、可再生以及轉化過程零碳甚至負碳性質，這些富碳前體是可持續生產燃料能源、化學品、材料等的理想原料。然而，由於這些原材料往往成分和結構複雜，具有天然生化惰性，當前多數轉化技術和工藝尚未能有效產出具有性能和成本競爭力的化石基產品綠色替代品。發展綠色、經濟和節能的轉化新技術和工藝，將富碳原料高效轉化為高附加值、有市場競爭優勢的清潔能源和化工產品意義重大。通過精確傳輸和轉化外部能量（如電能），放電等離子體能夠快速創造局部能量強化和高化學活性的反應環境，使許多頑固的反應能夠在溫和的條件下發生，從而實現更高效的物理化學轉化。等離子體已成為一種新穎的、多功能能源轉化技術平台，單獨等離子體、等離子體耦合其他轉化過程或等離子體輔助技術均可以有效實現富碳原料的升值轉化。此外，等離子體技術可與日益豐富且低價的可再生（電）能源兼容，使得整個轉化過程更加具有性能、環境和經濟優勢。

近日，歐洲科學院（Academia Europaea）院士KenOstrikov教授、西安交通大學周仁武教授、浙江海洋大學趙亞東教授等人基於自身研究，調研並總結了等離子體在富碳原料轉化領域的研究進展與挑戰，提出「等離子體碳提升」 清潔轉化新概念。

文章首先簡要介紹了天然富碳原料的結構特性和當前轉化利用常用工藝，闡明了放電等離子體的技術和生態優勢，着重探討了等離子體發生機制和等離子體技術獨特的理化性質，從能量分布、活性粒子生成與利用等角度，論述了等離子體適用於「碳提升」轉化的理論依據。隨後，為了進一步論證等離子體的獨特作用和顯著潛能，着眼於生物質及其衍生物高值轉化，文章列舉並總結了「等離子體碳提升」典型的應用實例，特別是在氣化、熱解、液化、原料預處理以及衍生物改性升級等方面，深入闡述了等離子體 - 碳原料相互作用機制以及其與傳統工藝相比的獨特性和顯著優勢。比如，基於熱等離子體的氣化和熱解，由於能量密度極高，可實現超高加熱速率和短原料停留時間，從而抑制甚至消除焦油形成；同時，等離子體的高反應性可以進一步提高合成氣和輕質油產率。液相等離子體，將電能或脈衝能量快速傳遞給液體前驅體，為液體活化、反應、分解等的引發創造了一個局部高溫高壓、高反應性的環境，實現快速和完全的原料升級（特別是液化）。非熱等離子體的高反應活性和低熱效應的特性使其非常適用於原料預處理和改性，提高表面功能化，去除天然屏障，從而促進後續加工以提高產率和產品價值。此外，由於過程簡單、放電和能量類型多樣，易於與其他過程整合聯用（如等離子體催化），放電等離子體也在富碳原料直接獲得清潔燃料（特別是 H2）以及各種高性能功能性碳基材料或催化劑等方面顯示出巨大潛力。

與此同時，基於已有研究成果，文章也系統討論了「等離子體碳提升「的技術局限、當前挑戰和未來發展的研究需求，並給出了潛在的解決方案。綜上，文章通過概述等離子體技術在富碳資源轉化中的應用，總結並提煉「等離子體碳提升」 清潔轉化新概念，可為生物質資源的高效煉製與高值轉化提供重要的理論和技術支撐，也為拓寬等離子體的創新應用提供重要參考。

等離子獨特的理化特性及其「碳提升」應用總結