《Materials Research Bulletin》：Activated Carbon and Biochar-Based Catalysts for Sustainable Biodiesel Production: A Comparative Insight into Transesterification Efficiency, Mechanism, and Design
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可持续能源需求推动生物柴油生产，需高效环保催化剂。本文系统比较活化碳（AC）与生物炭催化剂的催化性能、稳定性、成本及环境影响，揭示AC因高比表面积和孔隙率更具催化效率，但生物炭更环保且具碳封存潜力。挑战包括原料波动、活性位点流失及结垢问题，未来需融合循环经济、磁纳米复合物、AI辅助设计提升规模化应用。
Muhammad A. Abo El-Khair|Krishna K. Yadav|F.M. Aldosari|Ahmed M. Fallatah|Maha A. Alreshidi|Talaat A Hameed|Ewies F. Ewies|Asmaa S. Morshedy
埃及石油研究所，1 Ahmed El-Zomor街，Nasr City，开罗11727，埃及
摘要
对可持续能源日益增长的需求增加了对高效且环保的生物柴油生产催化剂的需求。本综述首次详细比较了活性炭（AC）和生物炭催化剂。文章探讨了生物质原料、合成方法、结构和表面特性以及功能化策略（包括酸碱修饰和金属负载）。这些特性与酯交换机制、催化活性和耐久性相关。机制分析表明，酸碱双功能性质使得这两种催化剂都能处理低质量的原料。活性炭通常具有更高的表面积、稳定性和催化效率。然而，生物炭更便宜、更环保，并有助于碳封存。但原料变化、活性位点浸出和催化剂污染等问题限制了其大规模应用。未来的研究方向包括循环经济方法、磁性复合材料和混合复合材料以提高回收率，以及人工智能辅助的催化剂设计。总体而言，活性炭和生物炭都是可持续生物柴油生产的有前景的候选材料。
引言
随着对可持续能源需求的加速以及减缓气候变化的迫切需要，人们对可替代石油衍生燃料的兴趣日益浓厚。其中，生物柴油因其可生物降解性、低毒性、良好的排放特性以及与现有柴油发动机的兼容性而备受关注[1]、[2]、[3]，几乎不需要进行任何修改。生物柴油是通过将富含甘油三酯的原料（如植物油、动物脂肪和废弃食用油）与短链醇进行酯交换反应制得的，是一种可持续且能源安全的燃料[4]、[5]、[6]。
尽管具有这些优势，但大规模采用生物柴油仍面临催化剂选择和设计方面的挑战。传统的均相催化剂（如氢氧化钠或氢氧化钾）虽然反应速度快，但会导致肥皂形成、分离困难、对游离脂肪酸（FFAs）和水的敏感性，以及产生大量碱性废水[7]、[8]。这些缺点增加了成本，复杂化了纯化过程，并限制了其可扩展性，因此人们转向了易于分离、可重复使用且适合连续生产的非均相催化剂。
在这种情况下，碳基材料，特别是活性炭（AC）和生物炭，作为有前景的催化剂载体或活性催化剂应运而生。它们来源于农业废弃物、林业废料和工业副产品等可再生生物质资源，符合废物利用和循环经济的原则[9]、[10]、[11]。活性炭通常通过化学或物理活化方法制备，具有高表面积、可调的孔隙率，并可通过酸碱处理或金属浸渍进行表面修饰[12]、[13]。生物炭则是在缺氧条件下热解得到的低成本替代品，其催化活性可通过活化、功能化或金属负载得到提升[13]、[14]、[15]。
尽管活性炭和生物炭已经得到了广泛研究，但大多数综述分别讨论了它们，而缺乏对其催化效率、耐久性、成本效益和环境影响的直接比较。目前缺乏一个统一的框架来评估合成路线、结构特征、表面化学性质和可重复使用性之间的权衡。为填补这一空白，本综述系统地对比了基于活性炭和生物炭的生物柴油生产催化剂。文章探讨了生物质原料、制备技术、结构和表面特性、修饰策略（包括酸碱处理和金属负载）、酯交换机制以及工艺参数对性能和可重复使用性的影响。此外，为了克服现有局限并加速开发高性能可持续催化剂，人工智能辅助设计和混合复合材料工程等新兴策略正变得越来越重要。人工智能和机器学习能够预测催化剂性能、优化合成条件并合理调节活性位点，从而减少实验试错。同时，将碳材料与磁性纳米颗粒、MOFs或纳米结构氧化物结合的先进复合材料提高了稳定性、可回收性和双功能活性。这些方法共同解决了浸出、污染和可扩展性问题，使得下一代碳基催化剂能够在温和条件下高效生产生物柴油。
本综述首次全面对比了基于活性炭和生物炭的生物柴油生产催化剂，填补了现有文献中这些材料通常被单独研究的空白。它系统地评估了它们的生物质原料、合成路线、结构和表面特性以及功能化策略（包括酸碱修饰和金属负载），并将这些特性与酯交换机制、催化活性、耐久性和再生潜力联系起来。通过结合机理洞察和实际性能指标，本文建立了明确的结构-功能关系，为合理选择催化剂提供了坚实的基础。其创新之处在于采用了综合视角，整合了分散的研究成果，识别了权衡点和协同效应，并强调了绿色合成、混合碳系统和人工智能辅助设计等新兴机会。这有助于加速开发低成本、高性能、可持续的碳基催化剂，以实现低碳能源未来的生物柴油生产。
部分摘录
基于活性炭的催化剂
活性炭是一种可持续且多用途的生物柴油生产催化剂，具有高表面积、可调孔隙率和化学稳定性，同时可以从低成本生物质和农业工业废弃物中制备[16]、[17]。最近的进展集中在通过活化、功能化和金属浸渍来定制其表面化学性质和孔结构，从而制备出双功能或多功能催化剂。
基于生物炭的催化剂
生物炭是一种富含碳的材料，通过在限氧或无氧条件下对生物质进行热解获得，作为一种绿色、低成本且高效的生物柴油生产催化剂或催化剂载体而受到广泛关注[84]。其催化效率得益于其可调的表面化学性质、高孔隙率和丰富的功能基团，这些性质受原料类型和热解或炭化方法的影响较大[85]。
活性炭和生物炭催化剂的催化效率比较分析
详细比较显示，活性炭和生物炭催化剂之间存在明显的性能差异。碱改性的生物炭在稳定性方面表现优于活性炭：来自枣核的KOH/AC在4个循环后的产率为91.6%[66]，而来自柚子皮的K2CO3/生物炭在8个循环后的产率为98%，保留率超过82%[62]。这种增强的稳定性源于生物炭中的矿物质成分和氧化表面，这些成分能更好地固定碱金属，从而减少了浸出现象，尽管活性炭通常具有更高的表面活性。
酯交换反应机制
酯交换反应在催化剂存在下，使用短链醇（通常是甲醇）将甘油三酯转化为脂肪酸甲酯（FAME）和甘油。该反应分为三个步骤：首先生成二甘油酯，然后是一甘油酯，最后生成甘油，每一步释放一个FAME。对于含有大量游离脂肪酸的原料，双功能酸碱催化剂能够同时实现酯化和酯交换。
虽然活性炭和生物炭催化剂都具有高表面积和孔隙率，
反应参数的影响
优化反应参数对于实现高产率和成本效益的生物柴油生产至关重要。如图9所示，四个关键变量——反应温度、醇油摩尔比、催化剂浓度和反应时间——对酯交换效率和产品质量起着决定性作用。
由于酯交换是一个吸热过程，提高温度可以增强分子运动，降低油粘度，从而改善反应效果。
非均相催化剂在生物柴油生产中的长期可行性取决于其可回收性、抗失活能力和再生便利性。多项研究表明，生物炭和活性炭基催化剂在多次循环后仍能保持显著活性，在某些情况下重复使用八次后的产率仍可超过60-90%[136]。
碳基催化剂的失活通常是由于孔堵塞和反应副产物（如单羧酸）的污染所致。
活性炭和生物炭催化剂的比较评估
活性炭和生物炭在生物柴油生产中的催化性能取决于它们的物理化学性质、制备方法和功能化程度。尽管两者都来源于生物质，但它们在活性、成本和环境影响方面存在差异，因此进行比较评估对于合理设计可持续碳基催化剂至关重要。由于具有更高的表面积和明确的
基于活性炭和生物炭的催化剂的生命周期评估
生命周期评估（LCA）是通过考察原材料提取、制备、使用和报废阶段的影响来评估催化剂材料环境可持续性的重要工具[157]、[158]。标准LCA框架（ISO 14040系列）通过清单分析和影响评估来考虑能源消耗、排放、资源消耗和毒性[157]。对于用于生物柴油生产的碳基催化剂，LCA有助于确定性能提升是否挑战与限制
尽管活性炭和生物炭基催化剂具有许多优点，如可再生性、低成本和可调的表面性质，但在商业生物柴油生产中仍存在一些关键的内在和操作挑战，如图10所示。金属掺杂碳基催化剂中最常见的问题之一是活性组分的浸出，尤其是碱金属氧化物和碱土金属氧化物。
未来展望
为克服当前障碍并提高活性炭和生物炭基催化剂在生物柴油合成中的工业应用性，提出了以下前瞻性策略，这些策略在图11中有所说明。其中，循环经济概念得到了广泛应用，例如利用废弃物生物质来生产催化剂，将废弃油转化为生物柴油（如图11a所示）。双重废物利用通过使用食物结论
活性炭和生物炭催化剂代表了两种互补的生物柴油生产途径，结合了绿色化学和废物利用的原则。活性炭凭借其较高的表面积、良好的孔隙率和功能化潜力，实现了高转化效率和可重复使用性，适用于需要高催化性能的工艺。虽然生物炭在结构上可能稍逊一筹，但在经济性和CRediT作者贡献声明
Asmaa S. Morshedy：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
