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

过度使用化石资源导致的全球能源危机和环境挑战大力推动了对可再生能源替代品的探索。低价值甚至负价值的富碳原料，例如可再生生物质（纤维素、木质素等）、有机工农业、城市和食品垃圾等，代表着地球上丰富甚至几乎取之不尽的碳基材料、能源和化学资源。由于来源广泛、可再生以及转化过程零碳甚至负碳性质，这些富碳前体是可持续生产燃料能源、化学品、材料等的理想原料。然而，由于这些原材料往往成分和结构复杂，具有天然生化惰性，当前多数转化技术和工艺尚未能有效产出具有性能和成本竞争力的化石基产品绿色替代品。发展绿色、经济和节能的转化新技术和工艺，将富碳原料高效转化为高附加值、有市场竞争优势的清洁能源和化工产品意义重大。通过精确传输和转化外部能量（如电能），放电等离子体能够快速创造局部能量强化和高化学活性的反应环境，使许多顽固的反应能够在温和的条件下发生，从而实现更高效的物理化学转化。等离子体已成为一种新颖的、多功能能源转化技术平台，单独等离子体、等离子体耦合其他转化过程或等离子体辅助技术均可以有效实现富碳原料的升值转化。此外，等离子体技术可与日益丰富且低价的可再生（电）能源兼容，使得整个转化过程更加具有性能、环境和经济优势。

近日，欧洲科学院（Academia Europaea）院士Ken Ostrikov教授、西安交通大学周仁武教授、浙江海洋大学赵亚东教授等人基于自身研究，调研并总结了等离子体在富碳原料转化领域的研究进展与挑战，提出“等离子体碳提升” 清洁转化新概念，文章以“Plasma-electrified up-carbonization for low-carbon clean energy” 为题发表在Carbon Energy上。

文章首先简要介绍了天然富碳原料的结构特性和当前转化利用常用工艺，阐明了放电等离子体的技术和生态优势，着重探讨了等离子体发生机制和等离子体技术独特的理化性质，从能量分布、活性粒子生成与利用等角度，论述了等离子体适用于“碳提升”转化的理论依据。随后，为了进一步论证等离子体的独特作用和显著潜能，着眼于生物质及其衍生物高值转化，文章列举并总结了“等离子体碳提升”典型的应用实例，特别是在气化、热解、液化、原料预处理以及衍生物改性升级等方面，深入阐述了等离子体 - 碳原料相互作用机制以及其与传统工艺相比的独特性和显著优势。比如，基于热等离子体的气化和热解，由于能量密度极高，可实现超高加热速率和短原料停留时间，从而抑制甚至消除焦油形成；同时，等离子体的高反应性可以进一步提高合成气和轻质油产率。液相等离子体，将电能或脉冲能量快速传递给液体前驱体，为液体活化、反应、分解等的引发创造了一个局部高温高压、高反应性的环境，实现快速和完全的原料升级（特别是液化）。非热等离子体的高反应活性和低热效应的特性使其非常适用于原料预处理和改性，提高表面功能化，去除天然屏障，从而促进后续加工以提高产率和产品价值。此外，由于过程简单、放电和能量类型多样，易于与其他过程整合联用（如等离子体催化），放电等离子体也在富碳原料直接获得清洁燃料（特别是 H₂）以及各种高性能功能性碳基材料或催化剂等方面显示出巨大潜力。

与此同时，基于已有研究成果，文章也系统讨论了“等离子体碳提升“的技术局限、当前挑战和未来发展的研究需求，并给出了潜在的解决方案。综上，文章通过概述等离子体技术在富碳资源转化中的应用，总结并提炼“等离子体碳提升” 清洁转化新概念，可为生物质资源的高效炼制与高值转化提供重要的理论和技术支撑，也为拓宽等离子体的创新应用提供重要参考。

等离子独特的理化特性及其“碳提升”应用总结