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Apr 05, 2023

Entkoppelte Temperatur- und Druck-Hydrothermalsynthese von Kohlenstoffsub

Band Nature Communications

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 3616 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Temperatur und der Druck des hydrothermischen Prozesses, der in einem Batch-Reaktor abläuft, sind typischerweise gekoppelt. Hier entwickeln wir ein entkoppeltes Temperatur- und Druck-Hydrothermalsystem, das die Zellulose bei einem konstanten Druck erhitzen kann, wodurch die Abbautemperatur der Zellulose deutlich gesenkt wird und die schnelle Produktion von Kohlenstoffkügelchen im Submikrometerbereich ermöglicht wird. Kohlenstoffkügelchen im Submikronbereich können ohne isotherme Zeit hergestellt werden, viel schneller im Vergleich zum herkömmlichen hydrothermischen Verfahren. Hochdruckwasser kann dazu beitragen, die Wasserstoffbrückenbindungen in Zellulose zu spalten und Dehydratisierungsreaktionen zu erleichtern, wodurch die Karbonisierung von Zellulose bei niedrigen Temperaturen gefördert wird. Eine Ökobilanz auf der Grundlage eines konzeptionellen Bioraffineriedesigns zeigt, dass diese Technologie zu einer erheblichen Reduzierung der Kohlenstoffemissionen führt, wenn Hydrokohle Kraftstoffe ersetzt oder zur Bodenverbesserung eingesetzt wird. Insgesamt stellt die entkoppelte Temperatur- und Druck-Hydrothermalbehandlung in dieser Studie eine vielversprechende Methode zur Herstellung nachhaltiger Kohlenstoffmaterialien aus Zellulose mit kohlenstoffnegativem Effekt dar.

Durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe entsteht weiterhin immer mehr CO2 (kohlenstoffpositive Emission, Abb. 1a), was schwerwiegende Folgen wie Klimawandel und Ozeanversauerung nach sich zieht. Lignozellulose-Biomasse wie Holz, Gras und landwirtschaftliche Abfälle (Stroh), bestehend aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin, ist eine erneuerbare und klimaneutrale Ressource1. Die Nutzung von Biomasse hat ein großes Potenzial zur Reduzierung der globalen Netto-Kohlenstoffemissionen2. Die traditionelle Nutzung von Biomasse wie Verbrennung, Vergasung und anaerobe Vergärung ist CO2-neutral. Die Umwandlung von Biomasse in Kohlenstoffmaterialien, die eine Kohlenstoffspeicherung in stabiler fester Form ermöglichen, ist eine Negativ-Emissions-Technologie (NET) (Abb. 1a). Es wurde berichtet, dass im schlimmsten Fall negative Emissionen von 7–11 Gt Kohlenstoff pro Jahr und im besten Fall 0,5–3 Gt Kohlenstoff pro Jahr erforderlich sind, um das 2 °C-Ziel zu erreichen3.

ein Schema der CO2-positiven, CO2-neutralen und CO2-negativen Situationen. b Darstellung von Kohlenstoff-Submikron-Kugeln aus der hydrothermischen Niedertemperaturbehandlung von Rohstoffen auf Zellulosebasis.

Zellulose ist als Hauptbestandteil der Lignozellulose-Biomasse (40–60 %; Massenbasis) auch Hauptbestandteil von Textilien auf Papier- und Baumwollbasis4. Zellulose kann in Kohlenstoffmaterialien5,6, Chemikalien7,8 oder Ethanol9 umgewandelt werden, deren Herstellung typischerweise stark von fossilen Brennstoffen abhängig ist. Daher wird erwartet, dass die wertschöpfende Nutzung von Zellulose zur Linderung der Energiekrise und der globalen Erwärmung beitragen wird. Durch die hydrothermale Umwandlung von Zellulose können feste kohlenstoffhaltige Materialien, flüssiges Bioöl und brennbare Gase (z. B. H2, CO und CH4) entstehen10,11,12. Festes kohlenstoffhaltiges Material, z. B. Hydrokohle, kann in Kondensatorelektroden, zur Abwasserbehandlung und in Brennstoffzellen verwendet werden13,14.

Batch-Reaktoren werden aufgrund ihrer einfachen Bedienung und Universalität häufig zur Untersuchung des hydrothermischen Prozesses wasserunlöslicher Substanzen eingesetzt. In einem typischen Batch-Reaktor sind Temperatur und Druck jedoch gekoppelt, was es schwierig macht, sie separat zu steuern, was dazu führt, dass der sogenannte „Temperatureffekt“ im Wesentlichen eine Kombination aus Temperatur und Druck sein kann. Es ist allgemein bekannt, dass sich Cellulose (kristallin) bei ~210 °C15,16 und einem Sättigungsdampfdruck von 1,9 MPa zersetzt. Wenn jedoch die Temperatur von 100 auf 210 °C steigt, steigt der Druck von 0,1 auf 1,9 MPa, also ein gekoppelter Temperatur- und Druck-Hydrothermalprozess (CTPH). Daher ist unklar, ob diese Konsequenz durch Temperatur, Druck oder beides verursacht wird. Das heißt, wenn sich der Druck ändert, kann sich auch die Abbautemperatur entsprechend ändern.

In dieser Studie haben wir ein entkoppeltes Temperatur- und Druck-Hydrothermalsystem (DTPH) entwickelt, um die Karbonisierung von Zellulose zu untersuchen. Nach getrennter Untersuchung der Temperatur (100–300 °C) und des Drucks (2–20 MPa) in diesem einzigartigen Reaktor wurde festgestellt, dass sich die Zellulose bei ~117 °C zersetzt und sich unterhalb von 150 °C Kohlenstoffkügelchen im Submikronbereich zu bilden beginnen C bei einem konstanten Druck von 20 MPa, der viel niedriger war als zuvor gemeldete Temperaturen (Abb. 1b; Ergänzungstabelle 1). Kohlenstoff-Submikron-Kugeln wurden ohne isotherme Zeit hergestellt, viel schneller im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren, das mehrere Stunden dauert15. Nach der Charakterisierung der festen Produkte mit verschiedenen Technologien wurde ein Reaktionsmechanismus vorgeschlagen. Zuletzt wurden die Beteiligungsmechanismen von Wasser durch Isotopenexperimente in D2O vorgeschlagen. Diese Methode zeigt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine verbesserte Energieeffizienz und eine erhebliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen, basierend auf einer prospektiven Lebenszyklusanalyse (LCA) eines konzeptionellen Bioraffineriedesigns. Mithilfe dieser nachhaltigen und kohlenstoffnegativen Technologie haben wir einen neuen Ansatz entwickelt, um die Nutzung von Zellulose und potenziell anderen Biomasserohstoffen bei niedrigen Temperaturen und mit hoher Wertschöpfung zu realisieren (Abb. 1b).

Eine unabhängige Steuerung von Temperatur und Druck kann den Parameterbereich des hydrothermischen Prozesses erheblich verbessern, dh von der Sättigungslinie für Wasser bis zum gesamten Bereich oberhalb dieser Linie (Abb. 2a). In dieser Studie wurde ein DTPH-System unter Verwendung eines Druckstabilisierungssystems zur Steuerung des Drucks gebaut (Ergänzende Abbildungen 1 und 2). Der Massenverlust von Cellulose wurde im DTPH-Verfahren bei 20 MPa untersucht (Abb. 2b). Cellulose begann sich bei 117 °C mit einem Massenverlust von 3,8 % zu zersetzen, und von 117 auf 150 °C wurde ein rascher Anstieg des Massenverlusts (von 3,8 auf 49,9 %) beobachtet. Dieses Phänomen zeigte, dass die schnelle hydrothermale Reaktion von Cellulose ab ca. 117 °C (20 MPa), was etwa 100 °C niedriger war als unser Kontrollexperiment des herkömmlichen CTPH-Prozesses (210 °C) und zuvor berichtete Ergebnisse von 210–220 °C (Druck nicht angegeben)15,16. Eine derart niedrige Reaktionstemperatur wurde wahrscheinlich durch den hohen Reaktionsdruck aufgrund des DTPH-Systems ermöglicht.

ein Schema der erreichbaren Reaktionsparameter im DTPH- und CTPH-Prozess. b Massenverlust an Cellulose im DTPH-Verfahren, im CTPH-Verfahren und im konventionellen Pyrolyseverfahren. Der Reaktionsdruck des DTPH-Verfahrens betrug 20 MPa. Pentagramm: Massenverlust im DTPH-Prozess unter 2 MPa. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen wiederholter Tests dar. c–f Vergleich der Strukturen von Cellulose, hydrothermal behandelter Cellulose von 200 °C unter 2 MPa und hydrothermal behandelter Cellulose von 200 °C unter 20 MPa. c FTIR-Spektren. d Raman-Spektren. e XRD-Muster. f Pyrolyseverhalten in TGA. REM von Originalzellulose (g), hydrothermal behandelter Zellulose bei 200 °C unter 2 MPa (h) und hydrothermal behandelter Zellulose bei 200 °C unter 20 MPa (i). Einschübe: makroskopische Morphologien.

Um diese Hypothese zu verifizieren, wurde ein weiteres Kontrollexperiment bei 200 °C und 2 MPa durchgeführt. Verglichen mit einem Massenverlust von 56,5 % bei 20 MPa betrug der Massenverlust bei 2 MPa nur 6,2 % (Abb. 2b), was darauf hindeutet, dass hoher Druck die hydrothermale Reaktion von Cellulose deutlich fördert. Der hohe Kohlenstoffgehalt der festen Produkte aus hohen Drücken deutete auf die Carbonisierungsreaktion hin (Ergänzungstabelle 2). Nach den Ergebnissen der Transmissions-basierten Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) (Abb. 2c) behielt das feste Produkt bei 2 MPa die ursprüngliche Struktur der Cellulose gut bei. Nach der hydrothermischen Behandlung bei 20 MPa sind OH (1350–1260 und 3700–3000 cm–1)17, C–OH (1100–1000 cm–1)17 und aliphatisches C–H (3000–2700 cm–1)18 funktionelle Gruppen in Cellulose verschwanden unter Bildung aromatischer C–H (900–720 cm–1)19, C=C (1615 cm–1)20 und C=O (1710 cm–1)17. Die Raman-Spektren zeigten auch eine Spaltung der ursprünglichen Gerüststruktur (C–C–C, C–O, C–C–O, C–C, C–O–C und OH; 270–510, 1000–1200 und). 3200–3500 cm–1)21,22 und die Bildung aromatischer Strukturen (1450 und 1600 cm–1)23 in hydrothermal behandelter Cellulose unter 20 MPa im Vergleich zur ursprünglichen Cellulose und hydrothermal behandelter Cellulose unter 2 MPa (Abb. 2d). Cellulose zeigte in Röntgenbeugungsmustern (XRD) drei Peaks bei 15,0° (101), 22,5° (002) und 34,5° (040), die mit der Queranordnung der Mikrokristalle und der Längsstruktur des Polymers zusammenhängen24. Die kristalline Struktur existierte noch unter 2 MPa, verschwand jedoch fast unter 20 MPa (Abb. 2e). Darüber hinaus zeigte hydrothermal behandelte Cellulose unter 20 MPa in der thermogravimetrischen Analyse (TGA) eine deutlich höhere thermische Stabilität als die unter 2 MPa, was der ursprünglichen Cellulose ähnelte (Abb. 2f).

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass hoher Druck die Umwandlung von Zellulose erheblich fördert (siehe ergänzende Abbildungen 3–12 und ergänzende Tabelle 2 für detailliertere Auswirkungen des Drucks). Anhand der Farbe der festen Produkte und der Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) (Abb. 2g – i) wurden Kohlenstoff-Submikron-Kugeln unter 20 MPa gut geformt. Mit dem erhöhten Druck von 2 auf 20 MPa erhöhte sich auch die Oberfläche der festen Produkte von 1,5 auf 13,4 m2 g–1 (ergänzende Abbildung 10). Es ist zu beachten, dass die Kohlenstoff-Submikron-Kugeln ohne isotherme Zeit hergestellt wurden, viel schneller im Vergleich zum herkömmlichen CTPH-Verfahren, das mehr als 2 Stunden benötigt15,25. Die schnelle Produktion von Kohlenstoff-Submikron-Kugeln erleichtert die industrielle kontinuierliche Produktion. Darüber hinaus betrug die Aktivierungsenergie der hydrothermischen Reaktion im DTPH-System 112 kJ mol–1 (ergänzende Abbildung 15), was viel niedriger ist als die herkömmlicher hydrothermischer Reaktionen von Cellulose (ca. 150 kJ mol–1)26,27 , was einen weiteren Vorteil des DTPH-Systems verdeutlicht.

Der in dieser Arbeit entwickelte hydrothermale Prozess wurde mit dem konventionellen Pyrolyseprozess verglichen (Abb. 2b). Interessanterweise wurde die Umwandlung im hydrothermischen Prozess erheblich verbessert, was darauf hindeutet, dass Wasser die Zersetzung von Cellulose erheblich förderte. Hoher Druck kann den Beitrag der wässrigen Umgebung zur thermochemischen Zersetzung von Cellulose verstärken. Im Gegensatz zu Stärke konnte Cellulose auch unter unterkritischen Bedingungen (300 °C und 25 MPa) nicht in Wasser gelöst werden28. Daher ist die niedrigere Zersetzungstemperatur von Cellulose in Wasser nicht auf den Übergang von der heterogenen Reaktion zur homogenen Reaktion zurückzuführen, sondern hängt mit der spezifischen wässrigen Umgebung zusammen (siehe unten). Interessanterweise gibt es keinen signifikanten Unterschied zwischen den physikalischen Eigenschaften von Wasser bei 200 ° C für 2 MPa und 20 MPa (ergänzende Abbildung 13), was darauf hindeutet, dass der unterstützende Effekt des Drucks auf die Zelluloseumwandlung von anderen Aspekten herrührt, die später erörtert werden Abschnitte. Es ist zu beachten, dass der Fördereffekt von Hochdruck auch auf reale Biomasse-Rohstoffe anwendbar ist (ergänzende Abbildung 14).

Nach dem oben erwähnten schnellen Massenverlustanstieg von 3,8 auf 49,9 % von 117 auf 150 °C stieg der Massenverlust weiter auf 62,3 % bei 250 °C (Abb. 2b). Interessanterweise wurde zwischen 250 und 300 °C ein leichter Rückgang des Massenverlusts von 62,3 auf 58,1 % beobachtet, der auf die Repolymerisation flüssiger Monomere zurückgeführt wurde29. Das Produkt hatte bei 100 °C das Aussehen eines weißen Pulvers, ähnlich der Rohzellulose. Im Gegensatz dazu waren die Produkte bei höheren Temperaturen bräunlich-schwarze Pulver (ergänzende Abbildung 16). Die Oberfläche der festen Produkte erhöhte sich von 7,0 auf 27,8 m2 g–1 von 100 auf 300 °C (ergänzende Abbildung 17). Die ursprüngliche Cellulose zeigte in der REM-Aufnahme unregelmäßige Stäbchenformen, und die Zerstörung der glatten Oberfläche wurde bei 100 °C beobachtet (ergänzende Abbildung 18) aufgrund des Abbaus der amorphen Cellulose30, was durch die XRD weiter bestätigt wurde (siehe unten). ). Als die Temperatur auf 150 °C anstieg, begannen sich die Stäbchenformen zu zersetzen, begleitet von der Bildung von Kugeln im Submikrometerbereich auf der Oberfläche. Die Stabstrukturen verwandelten sich bei 200 °C vollständig in Kugelcluster mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 383 nm (Ergänzende Abbildungen 18 und 19). Von 200 auf 250 °C wurde keine offensichtliche Änderung beobachtet. Interessanterweise durchlief die bei 300 °C erzeugte Hydrokohle einen Umformprozess und zeigte zwei Arten von Kugeln. Die großen Kugeln hatten eine durchschnittliche Größe von 531 nm, was möglicherweise durch das Zusammenwachsen der Kugeln bei 250 °C entstanden ist. Die Koaleszenz der Kohlenstoffkügelchen nahm mit der Temperatur von 250 auf 300 °C zu. Die kleinen Kugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 109 nm stammen aus der Repolymerisation flüssiger Monomere, was durch die Kohlenstoffkugeln aus Glucose unter den gleichen Bedingungen bestätigt wird (ergänzende Abbildung 20). Die Submikrometerkügelchen in dieser Studie waren viel kleiner als die Mikrokügelchen (2–10 µm), die bei der herkömmlichen hydrothermischen Reaktion von Zellulose bei 230–250 °C15 erzeugt wurden, was wahrscheinlich auf den DTPH-Prozess zurückzuführen ist. Bemerkenswerterweise könnten hohe Drücke, ähnlich wie die Wirkung der Temperatur, auch die Koaleszenz von Kohlenstoffkügelchen fördern (ergänzende Abbildung 9), was darauf hindeutet, dass der Druck bei der Koaleszenz von Kohlenstoffkügelchen eine ähnliche Rolle spielen könnte wie die Temperatur.

Der Kohlenstoffgehalt der hydrothermal behandelten Cellulose stieg schnell von 100 °C (43,0 Gew.-%) auf 150 °C (66,7 Gew.-%) und der Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt sanken auf 28,7 bzw. 4,6 % (Ergänzungstabelle 3). Von 150 bis 300 °C stieg der Kohlenstoffgehalt leicht von 66,7 auf 76,2 Gew.-%. Ein Van-Krevelen-Diagramm (Abb. 3a) wird verwendet, um die Dehydratisierungs-, Decarboxylierungs- und Demethanisierungsprozesse darzustellen31. Der Hauptprozess unter 100 °C war die Decarboxylierung, und der Hauptprozess von 100 bis 300 °C war die Dehydratisierung mit einem geringen Ausmaß an Decarboxylierung, was auch durch die Ergebnisse von FTIR, Raman und XPS (siehe unten) bestätigt wurde. Dabei können Ether-, Anhydrid- und Lactonbindungen gebildet werden31.

ein Van-Krevelen-Diagramm. b FTIR-Spektren. c Raman-Spektren. d C 1s XPS. e XRD. f Der Mechanismus der Celluloseumwandlung im DTPH-Prozess. Siehe ergänzende Abbildungen. 24 und 25 und Ergänzungstabellen 6 und 7 für die thermische Stabilität.

Um die organischen funktionellen Gruppen in der hydrothermisch behandelten Cellulose zu untersuchen, wurde eine FTIR-Analyse durchgeführt (Abb. 3b). Das FTIR-Spektrum des hydrothermischen Produkts bei 100 °C stimmte mit dem der ursprünglichen Cellulose überein, was darauf hindeutet, dass sich die Hauptstruktur nicht veränderte. Im Gegensatz dazu wurden in den FTIR-Spektren von Hydrokohlen, die bei 200 und 300 °C aufgenommen wurden, signifikante Veränderungen beobachtet. Die Banden bei 3700–3000 cm–1 (freie und intermolekular gebundene Hydroxygruppen)32, 1100–1000 cm–1 (C-OH-Streckung)17 und 1350–1260 cm–1 (OH-Biegung)17 nahmen deutlich ab, was darauf hindeutet Dehydrierung von Zellulose im hydrothermischen Verfahren. Die Abnahme der Bande bei 3000–2700 cm–1 (aliphatische C–H-Streckung)18 und die Zunahme bei 900–720 cm–1 (aromatische C–H-Biegung außerhalb der Ebene)19 und 1615 cm–1 (C =C-Schwingungen)20 legen die Umwandlung von einer aliphatischen Struktur in eine aromatische Struktur nahe. Von 200 bis 300 °C wurden die Aromatisierungs- und Entwässerungsgrade weiter gesteigert.

In den Raman-Spektren (Abb. 3c) drei Banden bei 270–510 cm–1 (C–C–C, C–O, C–C–O und Ringverformung), 1000–1200 cm–1 (Streckschwingungen). von C–C- und C–O–C-Bindungen) und 3200–3500 cm–1 (OH-Streckung)21,22 verschwanden im hydrothermalen Prozess von 100 bis 200 °C, was auf Brüche der Sechsringe und die Dehydratisierung schließen lässt Reaktion. Darüber hinaus traten in den Hydrokohlen von Cellulose ab 200 °C zwei Banden bei 1450 cm−1 (halbkreisförmige Ringstreckschwingung von Benzol oder kondensierten Benzolringen)33 und 1600 cm−1 (aromatische Skelettschwingungen)23 auf, die typische Merkmale von sind karbonisierte Materialien34.

Es wurde berichtet, dass sich die Oberflächen- und inneren chemischen Strukturen fester Kohlenstoffprodukte während der hydrothermischen Behandlung von Sacchariden unterscheiden35. Um die Unterschiede zwischen der Oberfläche und den inneren Strukturen zu verstehen, wurde XPS durchgeführt, um die funktionellen Gruppen auf der Oberfläche zu untersuchen (ergänzende Abbildung 21). Ähnlich wie bei den Ergebnissen der Elementaranalyse nahm das Oberflächen-O/C-Verhältnis des Feststoffs mit fortschreitender hydrothermischer Reaktion deutlich ab (ergänzende Abbildung 22). Interessanterweise ist das Oberflächen-O/C-Verhältnis niedriger als das gesamte O/C-Verhältnis (Oberfläche und intern, aus der Elementaranalyse), was auf einen Zelluloseabbau an der Oberfläche schließen lässt. Es ist zu beachten, dass der Unterschied im O/C-Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem Inneren mit dem Ausmaß der Reaktion abnahm, was auf die homogene Zusammensetzung der Kohlenstoff-Submikron-Kugeln über 200 ° C hinweist (ergänzende Abbildung 22).

In den C 1s-Spektren wurden C–C/C=C (285,0 eV), C–O (286,0 eV), O–C–O (288,2 eV) und O–C = O (289,0 eV) identifiziert (Abb . 3d und Ergänzungstabelle 4)36,37. Als die hydrothermale Temperatur 100 °C erreichte, nahmen die Anteile von C–O und O–C–O ab, während der Anteil von C–C zunahm. Verglichen mit dem FTIR-Spektrum des Feststoffs bei 100 °C, das eine vernachlässigbare Veränderung zeigte, deutete die signifikante Veränderung des C 1s XPS auf eine Oberflächenmodifikation der Cellulose durch hydrothermale Behandlung hin. Dieses Ergebnis steht in engem Zusammenhang mit dem Decarboxylierungsprozess im Van-Krevelen-Diagramm (Abb. 3a), was darauf hindeutet, dass die Decarboxylierung nur auf der Celluloseoberfläche stattfand. Eine Oberflächenmodifizierung durch hydrothermale Behandlung bei 100 °C und 20 MPa, über die in der Literatur nicht berichtet wurde, kann dabei helfen, die Oberflächeneigenschaften für die heterogene Katalyse und Wasseraufbereitung genau abzustimmen. Bei der Reaktion zwischen 100 und 200 °C wurden C=C- und C=O-Bindungen gebildet, zwischen 200 und 300 °C wurden jedoch keine signifikanten Veränderungen beobachtet. Die O 1s-XPS-Spektren bestätigten auch die Bildung von Doppelbindungen bei 100 bis 200 °C unter Verbrauch von C-O-Bindungen (Ergänzungsabbildung 23 und Ergänzungstabelle 5), was mit FTIR, Raman-Spektroskopie und C übereinstimmt 1s XPS-Ergebnisse.

Das XRD-Muster der hydrothermal behandelten Cellulose bei 100 °C ähnelt dem von Cellulose (Abb. 3e). Der Kristallinitätsindex (CI) der ursprünglichen Cellulose betrug 88 %, während der CI des hydrothermischen Produkts bei 100 °C 93 % betrug, was darauf hindeutet, dass der amorphe Anteil der Cellulose bei Temperaturen unter 100 °C leichter zersetzt wurde als der kristalline Anteil38. Die Peaks in den XRD-Mustern nahmen deutlich ab, als die Temperatur 200 °C erreichte, was auf einen Kristallinitätsverlust hinweist. Eine weitere Abnahme der Kristallinität wurde beobachtet, als die Temperatur auf 300 °C anstieg, was auf eine vollständige Umwandlung in eine amorphe Phase hinweist.

Basierend auf der obigen Analyse haben wir einen Mechanismus der Celluloseumwandlung im Rahmen des DTPH-Prozesses vorgeschlagen (Abb. 3f). Die flache, stäbchenförmige Cellulose durchläuft unterhalb von 100 °C zunächst einen Prozess der amorphen Phasenzersetzung der Oberfläche (Decarboxylierung). Im nächsten Schritt (100–150 °C) beginnt der Abbau der kristallinen Phase der Cellulose unter Bildung von Kugeln auf der Oberfläche. Die verbleibende Stäbchenstruktur wird bei 200 °C vollständig in gleichmäßige Kugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 383 nm umgewandelt. Die sechsgliedrigen Pyranringe der Cellulose werden unter Bildung vieler ungesättigter Bindungen (C=C, C=O und aromatisches C–H) gespalten. Darüber hinaus werden die einheitlichen Kugeln in größere Kugeln (531 nm) und kleinere Kugeln (109 nm) umgeformt. Mit der Bildung von Kugeln geht auch eine allmähliche Vereinheitlichung der Oberflächen- und inneren chemischen Strukturen einher.

Um die Rolle von Wasser weiter zu erforschen, führten wir das hydrothermale Experiment in D2O anstelle von H2O (200 °C, 20 MPa) durch. Wie das FTIR (Abb. 4a) zeigt, ergeben sich im Vergleich zum Ergebnis in H2O drei Banden bei 3700–3000 cm–1 (freie und intermolekular gebundene OH-Streckung)32, 3000–2700 cm–1 (aliphatische C–H-Streckung) 18 und 900–720 cm–1 (aromatische C–H-Biegung außerhalb der Ebene)19 verringerten sich im FTIR-Spektrum des Materials in D2O. Inzwischen können in den Ergebnissen von D2O zwei neue Peaks beobachtet werden, die den OD-Streckschwingungen (2485 cm–1)39 und den C–D-Streckschwingungen (2335 cm–1)40 zugeordnet sind, was darauf hindeutet, dass die O–H- und C –H-Bindungen wurden durch Hochdruckwasser aktiviert.

ein FTIR-Spektrum. Die Streckschwingungsbande von aromatischem C-D liegt außerhalb des FTIR-Bereichs (<450 cm-1). b 1H-NMR-Spektren. Reaktionsbedingungen: 200 °C, 20 MPa. c Festes Produkt aus dem hydrothermischen Prozess verschiedener Substrate bei 200 °C und 20 MPa.

Wir führten auch eine Festkörper-1H-Kernresonanzspektroskopie (NMR) von Hydrokohlen durch, die bei 200 °C und 20 MPa in H2O bzw. D2O verarbeitet wurden, um die Rolle von Wasser im hydrothermischen Prozess zu bestätigen (Abb. 4b). Die Peaks wurden dem Wasserstoff in der aromatischen Struktur (Peak 1), dem H in den sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (−OH, –COOH, –CHO usw., Peak 2) und dem H in der aliphatischen Struktur (Peak 3) zugeordnet und 4)41. Verglichen mit der Hydrokohle aus H2O zeigte die Hydrokohle aus D2O geringere Anteile der Peaks 1, 2 und 3 und einen höheren Anteil des Peaks 4. Es ist bekannt, dass die absolute Intensität des 1H-NMR-Spektrums von Hydrokohle in D2O für die geringer ist funktionelle Gruppen im Vergleich zu denen in H2O. Wir könnten einen Grenzfall annehmen, bei dem sich die absolute Intensität von Peak 4 von H2O zu D2O nicht ändert. Unter Verwendung von Peak 4 als internem Standard wurde beobachtet, dass die Intensitäten der Peaks 1, 2 und 3 von H2O zu D2O um 49, 72 und 60 % abnahmen (Abb. 4b und Ergänzungstabelle 8), was auf die Substitution von D hinweist für H in der aromatischen Struktur, den sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen und der aliphatischen Struktur, also der Beteiligung von Wasser an der hydrothermischen Umwandlung von Cellulose.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dass das Deuterium in D2O in der Hydrokohle vorhanden ist: die Hydrolysereaktion von Zellulose oder der HD-Austausch zwischen D2O und dem H in Zellulose/Zwischenprodukten. Die meisten Studien haben berichtet, dass Cellulose zunächst zu Glucose hydrolysiert wird und anschließend Glucose unter Bildung von 5-Hydroxymethylfurfural dehydriert wird, das den Kern der Bildung von Kohlenstoffkügelchen darstellt15. Als in dieser Studie der gleiche hydrothermale Prozess (200 °C und 20 MPa) von Glucose durchgeführt wurde, wurden keine festen Produkte gesammelt (Abb. 4c). Dies bestätigte, dass die ursprüngliche Zellulose die direkte Quelle der Kügelchen war, und die Möglichkeit einer direkten Umwandlung von Zellulose in Kohlenstoffkügelchen konnte durch die Referenz gestützt werden. 29. Es wurde auch berichtet, dass Stärke zu Monomeren hydrolysiert und dann 24 Stunden lang bei 180 °C zu Kohlenstoffkügelchen polymerisiert wurde42. Interessanterweise wurde unter den Bedingungen unserer Studie (200 °C und 20 MPa) kein festes Produkt aus der hydrothermischen Behandlung von Stärke gesammelt, was wahrscheinlich auf das Fehlen der isothermen Zeit zurückzuführen ist. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Bildung von Kohlenstoffkügelchen im Submikronbereich aus Zellulose in unserer Studie einem anderen Mechanismus folgte als in der Literatur, wahrscheinlich aufgrund der niedrigeren Temperatur und des höheren Drucks. In dieser Studie wurden durch die Kondensation von Monomeren keine Kohlenstoffkügelchen im Submikronbereich gebildet. Tatsächlich beobachteten wir die Bildung von Kugeln im Submikronbereich auf der Oberfläche der Stäbchenzellulose (ergänzende Abbildung 18), was darauf hindeutet, dass Kohlenstoffkugeln direkt aus der ursprünglichen Zellulose gebildet wurden. Die Bildung der aromatischen Struktur der Hydrokohle könnte der im Pyrolyseprozess ähneln, d. h. Cellulose bildete durch intramolekulare und intermolekulare Umlagerung die Zwischenprodukte, die dann in eine aromatische Struktur umgewandelt wurden, was zur Bildung von Kohle führte.

Daher ist das Vorhandensein von D in der Hydrokohle wahrscheinlich auf den HD-Austausch zwischen D2O und H in der Cellulose oder den Zwischenprodukten zurückzuführen. Das Vorhandensein von OD im FTIR und NMR weist auf die Wechselwirkungen zwischen OH in Cellulose und Hochdruckwasser hin. Das Hochdruckwasser kann dabei helfen, die inter- und intra-Wasserstoffbindungen zu spalten und die Reaktionskinetik zu fördern. Herkömmlicherweise sind für den Abbau von Cellulose hohe Temperaturen (> 200 °C) erforderlich, um die feuerfesten Wasserstoffbrückenbindungen in der Struktur aufzubrechen43,44. In dieser Studie kann das Hochdruckwasser dazu beitragen, die Wasserstoffbrückenbindungen in Zellulose zu zerstören und so den Abbau von Zellulose bei niedrigen Temperaturen (117 °C) zu fördern. Das Vorhandensein von C-D-Bindungen weist auch auf eine Aktivierung der C-H-Bindungen in Cellulosemolekülen hin, was zur Bildung von C-C-Bindungen führt und so den Karbonisierungsprozess fördert. Es wurde berichtet, dass die Dehydratisierung von Cellulose durch Schwefelsäure katalysiert wird45. In dieser Studie könnte das Hochdruckwasser auch als Brønsted-Säure-Katalysator wirken und H+ und OH– mit hohen Energien freisetzen, was die Dehydratisierung von Cellulose katalysiert, einen wesentlichen Schritt bei der Bildung von Hydrokohle.

In dieser Studie wurde eine konzeptionelle Bioraffinerieanlage vorgeschlagen, die hydrothermale Karbonisierung unter Verwendung von Abfallmaterialien auf Zellulosebasis und eine nachgeschaltete Biogasanlage integriert (Abb. 5a). Eine auf experimentellen Ergebnissen und Prozesssimulationen basierende Energieeffizienzbewertung zeigt, dass für das Bioraffineriedesign mit der DTPH-Technologie bei 200 °C und 20 MPa eine höhere Systemenergieeffizienz im Vergleich zu einer herkömmlichen CTPH-Technologie bei 280 °C und 6,4 MPa erreicht werden könnte (Abb. 5b und ergänzende Abb. 31). Als Verhältnis von Energieoutput zu Input, einschließlich Prozessenergie und in Materialien eingebetteter Energie (Einzelheiten finden Sie im Abschnitt „Methoden“ und in der Ergänzenden Anmerkung 9), beträgt die Energieeffizienz (EEs) von 62 % für Altpapierschlamm (WPS, mit dem Hauptbestandteil Zellulose). und 63 % für Reisstroh (RS) übertreffen auch die in anderen Studien berichtete Biomassepyrolyse (49–51 % bei 450–650 °C)46. Für die Nachhaltigkeitsbewertung wurde LCA angewendet. Die Systemgrenze „von der Wiege bis zur Bahre“ beginnt beim Transport von WPS oder der Sammlung von RS bis zur Endverwendung von Produkten als Ersatz für fossile Brennstoffe oder zur Bodenverbesserung. Die Funktionseinheit ist die Behandlung von 1 Tonne WPS oder RS ​​im Lieferzustand. Weitere Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen zur Prozesssimulation (Ergänzende Anmerkung 8), in den Bestandsdaten einschließlich Ein-/Ausgängen (Ergänzungsdaten 1) und in den vollständigen LCA-Ergebnissen (Ergänzungsdaten 1).

eine Systemgrenze für LCA. b Energieeffizienz. Reaktionsbedingung: CTPH (280 °C, selbst erzeugter Druck), DTPH (200 °C, 20 MPa). c Treibhauspotenzial (GWP) von WPS und RS bei einem Biomasse/Wasser-Verhältnis von 20 Gew.-% und 200 °C. SF: Festbrennstoff. SA: Bodenverbesserung. Fehlerbalken stellen den Bereich der Netto-GWP-Werte dar, die aus verschiedenen Substitutionsszenarien ermittelt wurden. d THG-Reduktionspotenzial des RS-SF-Szenarios in China. e LCA von WPS-SF und RS-SF bei einem Biomasse/Wasser-Verhältnis von 20 Gew.-% und 200 °C, normalisiert auf Basis der Nettowerte des RS-SF-Falls. ODP: stratosphärischer Ozonabbau (kg CFC-11-Äq.). TETP: terrestrische Ökotoxizität (kg 1,4-DCB). FETP: Süßwasserökotoxizität (kg 1,4-DCB). METP: marine Ökotoxizität (kg 1,4-DCB). FFP: Knappheit fossiler Ressourcen (kg Öläquivalent). Die vollständigen LCA-Ergebnisse finden Sie in der Ergänzungstabelle 11 und den Ergänzungsdaten 1.

Sowohl WPS- als auch RS-DTPH-Karbonisierungs-Bioraffinerien können eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) erreichen (Abb. 5c), indem sie Hydrokohle als Festbrennstoff (SF) oder zur Bodenverbesserung (SA) verwenden. Für jede Tonne RS, die in Hydrochar umgewandelt wird, können im SF-Fall 0,76 Tonnen Kohlendioxidäquivalent (CO2e) und im SA-Fall 0,30 Tonnen CO2e eingespart werden. Wenn die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) mit der DTPH-Karbonisierungs-Bioraffinerie gekoppelt wird, kann CO2 aus der Biogasverbrennung abgeschieden werden, um das THG-Reduktionspotenzial weiter auf 1,3 bzw. 0,79 Tonnen CO2e pro Tonne RS für SF- bzw. SA-Fälle zu erhöhen (ergänzende Abbildung 29). ). Da es sich um Rückstände einer der Hauptkulturen handelt, beträgt die jährlich verfügbare RS in China 125 Millionen Tonnen, die hauptsächlich in den Provinzen Heilongjiang, Jiangsu, Jiangxi, Hunan und Hubei verteilt sind (Abb. 5d). Aus RS gewonnene Wasserkohle wird potenziell 32,4 Millionen Tonnen Kohleäquivalent (t SKE) ersetzen und eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um insgesamt 91,4 Millionen Tonnen CO2e ermöglichen, was einen positiven Beitrag zu Chinas CO2-Neutralitätsziel bis 2060 leistet.

Wir haben auch die Auswirkungen der in dieser Studie vorgeschlagenen DTPH-Karbonisierungsbioraffinerie auf andere typische Umweltindizes berechnet (Abb. 5e). Am Beispiel von Wasserkohle für feste Brennstoffe ist die Technologie hinsichtlich der Luftqualität (ODP), der Wasserökotoxizität (TETP, FETP und METP) und der Ressourcenverknappung (FFP) sowohl für WPS als auch für RS von Vorteil für die Umwelt. Es ist zu beachten, dass die gesamten Lebenszyklusprozesse der Biomasse, einschließlich der Rohstoffsammlung, des Transports und der Abwasserbehandlung, bei der Bewertung berücksichtigt werden. Im Vergleich zu anderen auf fossilen Brennstoffen oder Biomasse basierenden Technologien zeigt die DTPH-Karbonisierung in dieser Studie Vorteile sowohl bei der Reaktionstemperatur als auch bei der Kohlenstoff-negativen Effizienz als Verhältnis des Kohlenstoffs aus in Produkten gebundenen Rohstoffen (ergänzende Abbildung 32). Angesichts der hohen Verfügbarkeit von Biomasse-Rohstoffen und des relativ geringen Energieverbrauchs könnte die DTPH-Karbonisierung eine vielversprechende Technologie mit negativen Emissionen sein, die zum globalen 2 °C-Ziel beiträgt (ergänzende Abbildung 33).

Zusammenfassend haben wir die hydrothermale Karbonisierung von Cellulose in einem DTPH-Prozess durchgeführt. Unter einem konstanten Druck von 20 MPa beginnt sich die amorphe Oberflächenstruktur der Cellulose bei einer Temperatur unter 100 °C zu zersetzen, und die kristalline Struktur beginnt sich unter 150 °C zu zersetzen. Dank des DTPH-Systems und der fördernden Wirkung des Hochdruckwassers konnten im Vergleich zu früheren Studien in einem schnelleren Prozess bei niedrigeren Temperaturen Kohlenstoff-Submikron-Kugeln mit kleineren Durchmessern hergestellt werden. Die Rolle von Hochdruckwasser besteht darin, die Wasserstoffbrückenbindung zu zerstören, die CH-Bindungen zu aktivieren und die Dehydratisierung zu katalysieren, anstatt direkt an der Hydrolyse von Cellulose teilzunehmen. Ökobilanzen deuten darauf hin, dass diese Technologie die Energieeffizienz steigert und den CO2-Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen hydrothermischen Karbonisierungswegen verringert. Diese Studie könnte neue Möglichkeiten für die nachhaltige Produktion von Kohlenstoffmaterialien und die hochwertige Nutzung von Biomasse mit kohlenstoffnegativem Effekt eröffnen.

Hydrothermale Experimente wurden in einem selbst entworfenen DTPH-System (ergänzende Abbildung 1) durchgeführt, das ein Druckstabilisierungssystem, ein Verbindungssystem und ein Reaktionssystem umfasste. Im Druckstabilisierungssystem pumpt die Pumpe kontinuierlich Wasser aus dem Wassertank in den Druckstabilisierungstank, um einen stabilen Druck zu erzeugen. Das überschüssige Wasser gelangte über ein dünnes Rohr hinter dem Druckstabilisierungstank in den Wassertank zurück. Die Kompensatoren und der Wendelkühler im Verbindungssystem könnten dazu beitragen, einen möglichen Materialaustausch zu blockieren. Im Reaktionssystem wurde ein 50-ml-Inconel-600-Autoklavenreaktor durch einen externen Ofen erhitzt. Die Temperatur und der Druck der Reaktion wurden durch den Ofen bzw. das Druckstabilisierungssystem gesteuert, das den Schlüssel zum DTPH-System darstellte.

Im hydrothermischen Prozess wurden 2 g Ausgangsmaterial in den Reaktor geladen (siehe ergänzende Abbildung 34 für den Einfluss der Beladungsmenge). Der Reaktor wurde unter konstantem Druck von Umgebungstemperatur auf die Zieltemperatur erhitzt (Temperaturprofil in ergänzender Abbildung 2 dargestellt; Auswirkung der Heizrate siehe ergänzende Abbildungen 35 und 36). Als die Temperatur die Zieltemperatur erreichte, wurde der Reaktor abgekühlt und das feste Produkt (hydrothermisch behandelte Cellulose) filtriert, mit reichlich Wasser gewaschen und 24 Stunden lang bei 70 °C getrocknet. Die Experimente wurden bei unterschiedlichen Temperaturen gestoppt, um mehr über die einzelnen Phasen des Reaktionsprozesses zu erfahren. In unseren typischen Experimenten mit 200 °C beträgt die Zeit von Raumtemperatur auf 200 °C 21 Minuten und die Zeit zum Abkühlen von 200 auf 100 °C 52 Minuten. Der Reaktor wurde in einem Eiswasserbad in vernachlässigbarer Zeit von 100 °C auf Raumtemperatur abgekühlt. Die DTPH-Experimente mit Reisstroh wurden nach dem gleichen Verfahren durchgeführt. Die CTPH-Reaktionen wurden im selben Reaktor ohne Druckstabilisierungssystem durchgeführt, und daher war der Druck der selbst erzeugte Sättigungsdampfdruck. Der Massenverlust wurde wie folgt berechnet:

wobei M0 und Ms die Masse der ursprünglichen Cellulose bzw. des festen Rückstands nach der Reaktion sind.

Cellulose (mikrokristallin, 20 μm), Glucose (≥ 99,5 %) und Stärke (aus Kartoffeln) wurden von Sigma-Aldrich Ltd. bezogen. Reisstroh (von Huaidao Nr. 5) wurde in Donghai, Provinz Jiangsu, gesammelt und zu Pulvern (< 250 μm). Alle Proben wurden vor der Verwendung in einem Exsikkator gelagert. Elementaranalysen (C, H und O) wurden mit einem Elementar Vario EL III-Mikroanalysator durchgeführt. Die Transmissions-FTIR-Spektren der Proben wurden mit einem Nicolet 6700-Spektrometer im Bereich von 4000–400 cm−1 aufgezeichnet. Die Raman-Spektren wurden im Bereich von 100–4000 cm−1 auf einem Horiba LabRAM HR Evolution-Spektrometer mit einem 473-nm-Anregungslaser aufgezeichnet. Das XPS wurde in einem ESCALAB 250Xi-Gerät durchgeführt. Die Proben wurden mit Al-Kα-Röntgenstrahlen (1486,7 eV) bestrahlt und die Photoelektronen mit einem HSA-Analysator analysiert. Für die Kalibrierung wurde die CC-Komponente von C 1s (285,0 eV) verwendet. Die XRD-Muster der Proben wurden auf einem Bruker D8 Discover-Röntgendiffraktometer mit Cu-Kα-Strahlung (40 kV, 40 mA) von 10° bis 60° aufgezeichnet. Um die Kristallinität der hydrothermisch behandelten Cellulose quantitativ zu vergleichen, wurde der Kristallinitätsindex (CI) mithilfe der Peakhöhenmethode47 berechnet:

Dabei ist I002 die Intensität des (002)-Peaks und Iam die Intensität der amorphen Phase.

Die Morphologien der festen Materialien wurden mit REM (Zeiss Gemini 300) untersucht. Die Oberfläche der Materialien wurde durch N2-Adsorption/Desorption (Micromeritics ASAP 2460) unter Verwendung des Brunauer-Emmet-Teller-Modells (BET) bestimmt. Die Pyrolyse und Verbrennung der Feststoffe erfolgte in einem NETZSCH STA 449F3 TGA gekoppelt mit FTIR. Für die Pyrolyseexperimente wurden die Proben von Raumtemperatur auf 1200 °C (30 °C min–1) unter N2 (100 mL min–1) und unter Luft von Raumtemperatur auf 900 °C (10 °C min–1) erhitzt (100 mL min−1) für die Verbrennungsexperimente. Die Gasprodukte aus den TGA-Experimenten wurden mit einem Nicolet Nexus 670-Spektrometer (4000–400 cm−1, Auflösung 1 cm−1) analysiert. Die Festkörper-1H-NMR-Spektroskopie wurde mit einem JEOL JNM-ECZ600R-Spektrometer (600 MHz 1H-Larmor-Frequenz) durchgeführt, das mit einer 3,2-mm-Sonde ausgestattet war und bei Raumtemperatur betrieben wurde.

Die Reaktion in D2O (99,9 Atom-% D, Sigma-Aldrich) wurde durchgeführt, um die Rolle von Wasser in der Reaktion zu untersuchen. Die Beteiligung von Wasser an der Reaktion konnte durch den Ersatz von Wasserstoff durch Deuterium in den festen Produkten bestimmt werden. Nach der Reaktion wurden FTIR und Festkörper-1H-NMR angewendet, um die Substitution von Wasserstoff durch Deuterium anhand der Peakverschiebungen in FTIR-Spektren und der Peakintensitätsschwankungen in NMR-Spektren zu analysieren.

Der gesamte Prozess umfasst hydrothermale Karbonisierung, anaerobe Vergärung (AD), aerobe Vergärung (AE), Biogasverbrennung und Dampferzeugung (Einzelheiten siehe ergänzende Abbildungen 26–30). Der Wärme- und Strombedarf des gesamten Prozesses wird über die Biogasverbrennung gedeckt und bei unzureichender Ergänzung ergänzt. Die Kapazität der Simulation wird auf 60.000 Tonnen pro Jahr festgelegt, was einer angemessenen Größe der Anlage unter wirtschaftlich sinnvollen Bedingungen für Pyrolyse als Ersatz entspricht48. Szenarioprozesse wurden in Aspen Plus ®V11 simuliert, um Informationen für die Sachbilanz zu generieren.

Die EEs verschiedener Szenarien wurden mithilfe der folgenden Gleichung berechnet:

wobei Ehydrochar, HHV und Efeedstocks, HHV die in der Hydrokohle und den Rohstoffen enthaltene Energie sind. E-Strom (in) und Ethermal (in) repräsentieren den Strom- bzw. Wärmebedarf. In Fällen, in denen übermäßig viel Strom erzeugt wird, wird der Stromausfall berücksichtigt.

Die Funktionseinheit ist die Behandlung von 1 Tonne WPS oder RS. Die Prozesssimulationen wurden auf der Grundlage eines 3000-L-h-1-Reaktors durchgeführt. Die geplante Anlagenkapazität wird mit 60.000 Tonnen Ausgangsmaterial pro Jahr angenommen, was einer Bioraffinerieanlage mit parallelen Produktionslinien entspricht. Massen- und Energieflüsse werden aus der Prozesssimulation abgeleitet (Ergänzungsdaten 1). Die Ökobilanz wurde in Simapro TM (V9.2) durchgeführt. Als Hintergrunddaten wurde in der Berechnung Strom in China verwendet, während relevante in Europa hergestellte Chemikalien aufgrund fehlender Informationen in China als Ersatz aus der Ecoinvent-Datenbank (v3.0) ausgewählt wurden. ReCiPe2016 (H) wurde in der Ökobilanz (LCIA) angewendet, bei der sechs Umweltauswirkungskategorien bewertet wurden (Ergänzungsdaten 1). Treibhausgasemissionen aus WPS- und RS-Pfaden wurden über eine Kohlenstoffflussbewertung quantifiziert.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52070116), dem Key R&D Program of Guangdong Province (Grant No. 2020B1111380001), dem Tsinghua University-Shanxi Clean Energy Research Institute Innovation Project Seed Fund und der Stiftung unterstützt der Westlake University.

Schlüssellabor für thermische Wissenschaft und Energietechnik des Bildungsministeriums, Abteilung für Energie und Energietechnik, Tsinghua-Universität, Peking, 100084, Volksrepublik China

Shijie Yu, Peng Zhao, Xiaoxiao Yang, Qinghai Li, Yanguo Zhang und Hui Zhou

Beijing Key Laboratory of CO2 Utilization and Reduction Technology, Abteilung für Energie und Energietechnik, Tsinghua-Universität, Peking, 100084, Volksrepublik China

Shijie Yu, Peng Zhao, Xiaoxiao Yang, Qinghai Li, Yanguo Zhang und Hui Zhou

Schlüssellabor für Küstenumwelt und Ressourcen der Provinz Zhejiang, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou, 310024, Zhejiang, Volksrepublik China

Xinyue Dong & Lei Wang

Institute of Advanced Technology, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou, 310024, Zhejiang, Volksrepublik China

Xinyue Dong & Lei Wang

Fakultät für Chemieingenieurwesen und Chemie, Technische Universität Eindhoven, Het Kranenveld 14, Helix, STW 3.48, 5612 AZ, Eindhoven, Niederlande

Zhicheng Luo

Beijing Key Laboratory of Lignocellulose Chemistry, Beijing Forestry University, No.35 Tsinghua East Road, Peking, 100083, Volksrepublik China

Zhuohua Sun

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HZ konzipierte das Forschungsprojekt. YZ schlug das DTPH-Konzept vor. SY plante die experimentelle Arbeit. SY und PZ bauten und testeten das experimentelle System. SY bereitete die Materialien vor, charakterisierte und testete sie und analysierte die Daten. XD und LW haben die Ökobilanz entworfen und durchgeführt. LW betreute die Ökobilanz. LW, HZ und YZ koordinierten die Forschung. ZL, ZS, XY und QL lieferten nützliche Anregungen für die Studie. Die Daten wurden unter allen Koautoren besprochen. SY, HZ, XD und LW haben den Artikel mit Beiträgen aller Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Lei Wang, Yanguo Zhang oder Hui Zhou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Ratna Susanti und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yu, S., Dong, X., Zhao, P. et al. Entkoppelte Temperatur- und Druck-Hydrothermalsynthese von Kohlenstoff-Submikron-Kugeln aus Zellulose. Nat Commun 13, 3616 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31352-x

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Eingegangen: 02. März 2022

Angenommen: 13. Juni 2022

Veröffentlicht: 24. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31352-x

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