有害藻类生物质可持续转化为CO2还原电催化剂以实现碳的双重利用

有害藻华（HABs）在全球范围内频繁发生，对环境、人类健康和水生态系统造成巨大危害。然而，由于藻类生长速度快、养分吸收量大，其生物量中可富集大量的碳（CO2）和营养元素（N和P）。因此，如果能有效地收获和利用有害藻类生物量，这可以作为应对全球变暖和水体富营养化的有力手段。中国科学技术大学 刘武军教授 、 俞汉青教授 团队提出了一种热化学方法来将藻类生物质转化为用于CO2还原的氮掺杂电催化剂。相关研究成果以“ Sustainable Conversion of Harmful Algae Biomass into a CO2 Reduction Electrocatalyst for Two-Fold Carbon Utilization  ”为题在环境领域国际顶级期刊ES&T发表（2023年1月5日）。

所合成的炭催化剂具有良好的CO2电化学还原活性。通过生命周期评价，确定了热化学转化法环境影响的关键驱动因素，并与常用的填埋法进行了比较。就淡水/陆地生态毒性和人类毒性等影响而言，前者的环境负担比后者低得多。此外，如果热化学转化过程在全球范围内成功应用于生物质转化，则可从全球碳和其他元素循环中去除2.17 × 108吨CO2当量、8.42 × 106吨N和1.21 × 106吨P。同时，热化学方法在成本方面也类似于填埋。研究结果为实现CO2的双重利用和有效控制有害藻华提供了一个全新的视角。

     

研究背景      

有害藻华（HABs）主要是由浮游植物的大量繁殖引起的（例如，蓝藻、硅藻和甲藻）。水体中氮和磷的过量输入导致的富营养化被认为是造成赤潮的主要原因。赤潮对人类健康、水生生物和饮用水安全有害。此外，藻类产生毒素，其可导致水不安全并引起鱼类死亡，并通过食用受污染的水产品、皮肤接触或在娱乐活动中吞咽水而影响人类健康。

在过去几十年中，有害藻华在全球范围内频繁发生，尤其是在中国、美国和一些欧洲国家（图1a、b）。1981 - 2015年的总经济损失估计超过10000亿美元。例如，仅在中国，每年HAB造成的经济损失就超过75亿美元（数据来源见支持性资料SI的图S1）。根据从图S1所列数据源中提取的定量数据，有害藻华中产生的最大藻类生物量估计为每年3.75 × 10^8吨。在及时收获后，如此数量的藻类生物量每年可从全球元素循环中产生大量的CO2（2.17 × 10^8吨）、N（8.42 × 10^6吨）和P（1.21 × 10^6吨）。如果通过直接填埋处理此类藻类生物量，超过2.73 × 10^8吨CO2当量温室气体（例如，CO2、CH4和N2O）将再次释放到环境中，约占人为排放总量的0.67%，这甚至高于其生长季节吸收的CO2量。

     

研究内容      

本研究提出了一种热化学转化方法，将藻类生物质转化为氮掺杂多孔碳材料和液体生物油。首先，考察了采用热化学方法将藻类生物质转化为功能炭材料的技术可行性，并评价了所合成的炭材料对CO2电化学还原的催化性能。此后，通过生命周期评估（LCA）分析了用于藻类生物质处理和再循环的热化学转化技术的总体环境影响，生命周期评估是广泛用于评估某些产品、服务或技术的环境可持续性的标准化方法。生命周期评价（LCA）被认为是确定生命周期各阶段可持续性权衡和避免环境影响负担转移的有力方法。本研究中进行了LCA，目的是确定有害藻类生物质热化学转化为N掺杂多孔碳材料和液体生物质的环境影响的关键可持续性权衡。油，并将热化学转化方法的环境足迹与其它常规藻类处理方法的环境足迹进行比较。探讨了热化学转化技术处理藻类生物质的经济可行性。

   

主要结论      

这项研究提出了一种热化学方法将藻类生物质转化为氮掺杂碳材料和液体生物油，并且被证明是比填埋更可持续的藻类生物质处理替代方案。 所合成的碳材料对电化学CO2还原反应具有良好的催化活性。藻类生物质的收集和预处理、液体产品的升级、生物炭的功能化以及最终产品的报废处理不可避免地会带来可持续性的权衡。在与传统填埋方法进行比较后，利用LCA进行了“从摇篮到坟墓”的分析，以确定热化学转化方法中环境影响的关键驱动因素。热化学转化对生产活动造成了较高程度的环境负担，包括化石燃料耗竭、农业/城市土地占用和金属/水耗竭，但在淡水/陆地生态毒性、人类毒性和淡水富营养化等危害方面造成的环境负担要低得多。相比之下，虽然填埋在某些生产活动中显示出相对较低的环境负担，但它对温室气体排放和人类毒性的环境影响要大得多，对淡水/陆地生态毒性和陆地酸化的环境负担也很高。如果不处理藻类生物质，尽管对生产活动不会有环境负担（例如，化石燃料消耗、农业/城市土地占用和金属/水消耗），温室气体排放的环境负担程度和危害，如淡水/陆地生态毒性、人类毒性和淡水富营养化将变得非常高。这些高程度的环境负担将导致全球变暖和环境污染的高风险，这在我们致力于碳中和的社会中需要严格避免。总之，这些结果表明热化学转化是一种具有最低环境负荷的有前途的藻类生物质处理方法。此外，当热化学转化方法成功用于全球藻类生物质循环时，可从全球碳和其他元素循环中去除2.17 × 10^8吨CO2-eq、8.42 × 10^6吨N和1.21 × 10^6吨P。 同时，从经济角度来看，热化学技术也好于填埋，每吨生物质的最终成本仅为21.45美元。 已开发的热化学转化方法不仅提供了在可持续区域内再利用藻类生物质的可行解决方案，而且大大减少了温室气体排放，这最终可能减少总体碳足迹。这种三赢进程是一种强有力的战略，可以一石二鸟，实现碳排放量的双重减少和有害藻华的有效缓解。

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