导语
面对生物质全组分高值化利用与石墨烯低成本制备的双重挑战，浙江大学陈彤教授、孙晨研究员团队在化学工程顶级期刊《Chemical Engineering Journal》 上发表创新研究成果。该研究提出一种催化水热转化与闪蒸焦耳加热（FJH）相结合的串联策略，以甘蔗渣为原料，成功实现了糠醛（产率65%）与高质量闪蒸石墨烯的协同制备。技术经济分析显示，该集成工艺处理每吨甘蔗渣的净收益可达3937美元，为木质纤维素生物质的“零废弃”高值利用提供了具有商业化潜力的新范式。
🔍 研究亮点
创新串联工艺：集成GVL/CoCl₂催化水热与FJH技术，实现生物质到化学品与先进材料的全组分转化。
高效协同转化：水热过程优化残渣结构，使其成为合成高品质石墨烯的理想前驱体；FJH过程快速将残渣转化为石墨烯。
卓越产物性能：制备的石墨烯缺陷密度低（I_D/I_G = 0.65），并展现出优异的太阳能海水淡化性能（蒸发速率1.99 kg·m⁻²·h⁻¹）。
显著经济优势：集成工艺的净收益较传统路径提升近一倍，凸显其产业化应用潜力。
📊 图文解读
图1 工艺流程示意图
该图清晰展示了从甘蔗渣到最终产物的完整串联工艺路线。核心包括两步：首先，生物质在γ-戊内酯（GVL）/CoCl₂催化体系中进行水热反应，选择性生成糠醛，并得到结构优化的固体残渣；随后，该残渣经闪蒸焦耳加热处理，被快速转化为石墨烯。示意图体现了工艺的集成性与“零废弃”目标。
图2 糠醛产率优化
系统探究了反应体系、时间、GVL浓度及Co²⁺浓度对糠醛产率的影响。GVL/CoCl₂ (GCo) 催化体系在最优条件下（170°C, 30分钟）实现了65%的最高糠醛产率。GC-MS分析证实该体系能有效促进选择性转化并抑制副反应。
图3 水热残渣结构表征
通过XPS、FTIR、DSC等表征揭示了GCo体系对残渣结构的深刻优化作用。GCo残渣的氧含量显著降低（49% vs. 57%），含氧官能团减少，芳构化程度和导电性提高，这为其作为FJH前驱体奠定了良好基础。
图4 闪蒸石墨烯结构性能
FJH过程中，GCo前驱体表现出更高的峰值温度（约3600°C）和加热速率。所制备的石墨烯具有更低的缺陷密度（I_D/I_G = 0.65）、更高的碳含量（90%）和sp²/sp³比例，表明催化水热预处理显著提升了最终石墨烯的质量。
图5 石墨烯微观形貌
SEM和TEM显示石墨烯纳米片形貌均匀，HR-TEM证实其具有约0.34 nm的多层堆叠结构。XRD尖锐的（002）峰和IV型N₂吸附等温线，共同表明材料具有高结晶度和以介孔为主的分级多孔结构。
图6 石墨烯光热蒸发性能
将石墨烯制成复合蒸发器用于太阳能海水淡化，在1个太阳光照下实现了1.99 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率，且循环稳定性良好（10次循环后性能衰减<4%）。淡化后水质达到饮用水标准。
图7 生命周期与技术经济分析
系统对比了GCo与对照（BK）路径的可持续性。虽然GCo路径因使用化学品而环境足迹稍高，但其凭借更高的糠醛选择性和石墨烯附加价值，实现了显著的经济优势：每吨甘蔗渣处理净收益达3937.08美元，是BK路径（1989.50美元）的1.98倍。
⚙️ 技术支撑
催化水热系统：集成GVL/CoCl₂催化体系，实现生物质选择性转化与残渣结构定向调控。
闪蒸焦耳加热装置：提供瞬时超高温，实现碳前驱体向高质量石墨烯的秒级转化。
多尺度表征平台：结合XPS、Raman、TEM、BET等手段，全面解析材料结构与性能演变。
系统评估方法：采用技术经济分析与生命周期评估，量化工艺的经济与环境效益。
💎 总结与展望
本研究通过巧妙的串联工艺设计，成功将甘蔗渣转化为高值化学品糠醛和先进材料石墨烯，实现了生物质的全组分高值化利用。其核心在于催化水热过程对残渣结构的优化，使之成为合成高品质石墨烯的优质前驱体。该工艺不仅产率高、经济性突出，而且产物性能卓越，为可持续生物炼制和石墨烯绿色制造提供了创新思路。未来，可进一步探索该策略对不同生物质原料的普适性，并拓展所制备石墨烯在能源存储、催化等领域的应用。
文献信息
Hanyang Sun, Tong Chen, Xinyu Niu, Bingfu Chen, Qiong Wang, Zhen Yu, Bing Deng, Bin Yang, Chen Sun.
Co-production of furfural and high-quality flash graphene through tandem biomass thermochemical reactions.
Chemical Engineering Journal, Volume 526, 2025, 171540, ISSN 1385-8947.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171540
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