木质纤维素生物质作为一种丰富的可再生碳资源，其高效、高值化利用是实现碳中和目标的重要途径。水热法生产平台化学品（如糠醛）虽具潜力，但后续残渣的处理常面临经济性低或环境负担重的问题。同时，石墨烯因其卓越性能备受关注，但其低成本、高质量规模化制备仍是挑战。因此，开发一种能够将生物质全组分转化为高附加值化学品和先进材料的集成化、零废弃工艺，是当前生物炼制领域亟待解决的关键科学问题。
论文简介
2025年12月3日，浙江大学陈彤教授、孙晨研究员等在Chemical Engineering Journal期刊发表题为“Co production of furfural and high-quality flash graphene through tandem biomass thermochemical reactions”的研究论文。 本研究提出了一种创新的串联策略，将催化水热转化与闪蒸焦耳加热技术相结合，以甘蔗渣为原料同步生产糠醛和高质量石墨烯。研究采用γ-戊内酯/CoCl₂催化体系，显著提升了糠醛产率，并通过对水热残渣的结构调控，使其成为适于合成高品质闪蒸石墨烯的前驱体。系统表征揭示了催化水热过程对残渣脱氧、芳构化的优化作用及其对后续石墨烯结构性能的影响。所得石墨烯展现出优异的光热蒸发性能。技术经济分析证明了该串联工艺的经济可行性，为可持续生物炼制提供了新范式。
图文解读
图1. 实验工艺流程示意图
该图展示了从甘蔗渣原料到最终产品的完整串联工艺路线。主要包括两个核心步骤：首先，生物质在GVL/CoCl₂催化体系中进行水热反应，生产糠醛并得到结构优化的固体残渣；随后，该残渣经过闪蒸焦耳加热处理，被快速转化为石墨烯。该示意图清晰体现了工艺的集成性与“零废弃”目标，即将水热残渣作为有价值的前体进行升级利用，实现了生物质全组分的价值链延伸。
本研究系统考察了反应体系、时间、GVL浓度及Co²⁺浓度对糠醛产率的影响。结果表明，GVL/CoCl₂ (GCo) 催化体系实现了65%的最高糠醛产率，显著优于其他对照体系。最佳条件为170°C、30分钟、GVL/H₂O体积比4:1、Co²⁺浓度0.5 M。GC-MS分析显示，GCo体系生物油中糠醛占比显著提高，且产物谱更丰富。这证实了Co²⁺的Lewis酸催化作用与GVL溶剂环境的协同效应，能有效促进半纤维素水解和戊糖脱水，并抑制副反应，从而选择性生成糠醛。
通过对水热残渣进行XPS、FTIR、DSC及电导率等表征，揭示了GCo体系对残渣结构的深刻影响。XPS表明GCo残渣氧含量（49%）低于BK残渣（57%），且C1s谱中C-O和C=O官能团比例显著降低，证明催化水热过程促进了深度脱氧。FTIR中羟基信号减弱与DSC显示放热量降低，进一步支持了含氧基团减少的结论。电导率测试表明GCo残渣与炭黑复合物的电阻更低，这与其更高的芳构化程度和导电性相符，为其在后续FJH中更高效的电热转换奠定了基础。
本研究利用FJH将水热残渣快速转化为石墨烯。加热曲线显示GCo前驱体能达到更高的峰值温度（3600°C）和加热速率，表明其更适于FJH过程。Raman光谱统计分析表明，GCo衍生的石墨烯具有更低的缺陷密度（I_D/I_G = 0.65 vs. BK的0.85）和更高的I_2D/I_G比值，表明其石墨化程度更高、层数更少。XPS显示其碳含量高达90%，sp²/sp³比例是BK衍生物的近两倍。TGA曲线也证实了其更高的热稳定性。这些数据共同表明，经GCo体系预处理的前驱体能够通过FJH合成出结构更优的高品质石墨烯。
通过SEM、TEM、XRD和BET等手段对GFG进行了详细的形貌与结构表征。SEM显示石墨烯纳米片呈现良好的球形貌且分布均匀。TEM及HR-TEM图像清晰展示了其多层堆叠结构以及约0.34 nm的层间距，略大于理想石墨，表明其具有一定涡轮层结构特征。XRD谱图中尖锐的（002）峰证实了高度的石墨化。N₂吸脱附等温线显示其为IV型曲线并伴有H3型回滞环，表明材料具有以介孔为主的分级多孔结构，这有利于其在吸附、催化等领域的应用。
将GFG与亲水无纺布复合制成光热蒸发器，用于太阳能海水淡化测试。在1个太阳光照下，G-NF蒸发器实现了1.99 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率，显著优于对照组。红外热像图显示其表面温度上升最快且最高。经过10次循环，蒸发性能衰减小于4%，显示出良好的稳定性。经其淡化后的海水，主要离子浓度均降至世界卫生组织饮用水标准之下。与已报道的生物质衍生碳基蒸发器相比，该蒸发器在蒸发速率上具有明显优势，归因于GFG优异的宽带光吸收、快速热传导及分级多孔结构带来的高效光-热-质传递。
通过物料流、温室气体累积排放、累积能耗及技术经济指标的系统对比，评估了两种工艺路径的可持续性。分析表明，BK路径因输入简单，具有更低的碳排放和能耗。然而，GCo路径凭借其更高的糠醛选择性和所产石墨烯的更高市场价值，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。该分析揭示了环境效益与经济效益之间的权衡，并指出通过使用生物基GVL等方式可进一步改善GCo路径的环境足迹，为其工业化应用提供了决策依据。
总结展望
总之，本研究成功开发了一种串联策略，将GVL/CoCl₂催化水热转化与FJH技术相结合，实现了甘蔗渣向糠醛和高质量石墨烯的协同转化。其核心机制在于：催化水热体系不仅高效选择性生成糠醛（产率65%），同时通过对固体残渣的深度脱氧与芳构化修饰，将其转化为富含sp²碳、导电性良好的前驱体，从而在后续FJH过程中促进缺陷修复与石墨晶格形成，合成出低缺陷（I_D/I_G = 0.65）、高结晶度的石墨烯。该石墨烯得益于其扩展的共轭结构和分级孔隙，展现出卓越的性能，在太阳能海水淡化中实现了1.99 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率及良好的循环稳定性。技术经济分析确认了该工艺的价值，其高经济收益与“零废弃”特性为木质纤维素生物质的全组分高值化利用提供了具有商业化潜力的闭环解决方案。未来可探索该串联工艺对不同生物质原料的普适性，并进一步拓展所制备石墨烯在能源存储、催化等领域的多功能应用。
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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