金属改性酸化ZSM-5催化剂在回转窑中木质素原位与非原位催化热解的比较研究

　　本研究针对木质素结构复杂性和转化效率低的问题，通过金属改性酸化ZSM-5催化剂（Fe/Ni/Mg@ZSM-5），在回转窑反应器中系统比较了原位与非原位催化热解模式。结果表明，非原位催化显著提高愈创木酚选择性（H@ZSM-5达42.61%），而Mg@ZSM-5通过碱性抑制脱氧保留甲氧基（原位49.77%，非原位55.48%）。该研究为木质素高值化利用及反应器-催化剂协同优化提供了重要参考。

　　

木质素作为自然界最丰富的芳香族资源，占植物干重的15-30%，却因结构复杂（含α-O-4、β-O-4等键）和异质性难以高效利用，常被直接焚烧。催化热解是破解这一难题的关键技术，但原位与非原位催化模式的系统比较及催化剂设计仍存在空白。为此，浙江省公益技术应用研究项目支持的研究团队在《Fuel》发表论文，通过金属改性酸化ZSM-5催化剂（H/Fe/Ni/Mg@ZSM-5），在配备锯齿状导流板的回转窑反应器中开展实验，揭示了催化模式与金属类型的协同作用机制。

研究采用X射线衍射（XRD）表征催化剂晶体结构，结合元素分析和二维核磁共振（2D HSQC NMR）解析木质素组成，通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）定量热解产物。关键发现如下：

材料特性
脱碱木质素（Dealkaline lignin）的HSQC NMR显示其以β-O-4键为主，金属改性后的ZSM-5保留晶体结构但酸度变化显著，如Fe@ZSM-5总酸度降至204 μmol/g。

XRD分析
所有催化剂在22.5°-25°区间保持ZSM-5特征峰，但金属负载导致峰强降低，Ni@ZSM-5出现NiO衍射峰（2θ=37.2°），证实成功改性。

催化模式对比
非原位催化普遍提升愈创木酚（Guaiacol）选择性，H@ZSM-5从27.52%增至42.61%；原位催化中Ni@ZSM-5更倾向香兰素（Vanillin）（选择性提升12.3%）。Mg@ZSM-5通过碱性抑制脱氧，在两种模式下均保持甲氧基完整性（原位49.77%，非原位55.48%）。

结论与意义
该研究首次在回转窑体系中系统比较木质素热解模式，发现Fe@ZSM-5非原位催化导致异常高固相产率（53.55%），而Ni@ZSM-5平衡了芳烃与含氧化合物产出。Mg@ZSM-5的碱性调控策略为定向保留功能基团提供了新思路，对生物质精炼工艺优化和催化剂设计具有指导价值。研究还指出，过渡金属（Fe/Ni）的催化行为高度依赖接触模式，这为反应器-催化剂协同创新奠定了理论基础。