柔软的深灰色石墨远不止是铅笔芯材料：这种导电性高、耐高温的矿物，是先进制造业不可或缺的基础原料。当前，美国在钢铁、电池和设备制造中使用的石墨，近一半依赖进口，主要来源于全球石墨供应大国中国。那么，如果能在国内用原本会被丢弃或焚烧的废弃物来生产石墨，会怎样？

这正是落基山国家实验室（NLR）与北卡罗来纳州立大学（NCSU）在《ChemSusChem》上发表研究的核心目标。团队证明，可以利用传统炼油设施，将林业和农业废弃物等生物质转化为高品质“生物石墨”——其性能几乎与电池和汽车制造商目前依赖进口的石墨相当。

这一思路源自团队最初的另一个研究方向：他们尝试将加热生物质得到的油转化为喷气燃料。通常，这类油中含有高度反应性的化合物，会在升级用催化剂表面形成固体沉积层，影响燃料生产。但研究人员意识到，这些固体沉积物本身可以被“升级”为石墨，将原本的问题副产物变成更高价值的材料。在石墨生成之后，工艺仍能产出可进一步转化为喷气燃料和汽油的油品。

随后，团队又取得第二项关键进展：他们发现，生物质向石墨的转化可以在约1500°C的温度下完成，远低于传统工艺所需的3000°C，从而显著降低能耗和成本。

NLR生物经济化学工程师、催化碳转化项目组经理 Carrie Farberow 表示：“这项研究的独特之处在于，我们在同一工艺中展示了两条可行路径，既能生产国内石墨，又能制备燃料。一条路径将废弃物转化为电池级石墨，另一条路径则在生物石墨生产中实现了显著的能源和成本节约。”

随着全球石墨需求预计到2028年增长约70%，主要受电池和钢铁产量激增驱动，NLR与NCSU的联合研究有望在这一关键时间窗口帮助美国提升石墨供应能力。

路径一：用生物质替代进口石墨

美国自20世纪50年代以来几乎不再开采天然石墨，目前有限的国内石墨生产主要依赖石油路线。

在传统炼油流程中，炼油厂在分离出原油中的高价值馏分后，会将类似焦油的重质残渣在约500°C下送入延迟焦化装置，尽可能提取残余燃料。该过程会生成固体焦炭。随后，焦炭在约1000°C下煅烧，再在约3000°C（约5500°F）的高温下转化为石墨。这一温度已超过太阳表面温度的一半。

NLR提出的生物石墨工艺，利用同类设备，将废弃生物质（例如为降低野火风险而清理的林业残枝）转化为石墨，为提升美国本土石墨产量提供了新途径。

该工艺的前端是快速热解：在无氧条件下将生物质加热至约500°C，并迅速冷却，得到油状中间体。这种“快速热解油”既可以升级为燃料和化学品，也可以作为制备美国本土生物石墨的原料，直接进入现有炼油厂的延迟焦化装置。

“在我们的研究中，我们模拟了基于生物质热解油的延迟焦化过程。”前NLR研究员、项目主要贡献者 Steven Rowland 介绍说，“结果表明，现有石油炼厂完全有潜力处理我们已经收集的大量国内生物质，并将其升级为高价值碳材料，比如石墨。”

简而言之，NLR的生物石墨路线已经针对传统炼油设备进行了适配。制造企业可以直接使用生物热解油，或将其与石油馏分混合处理。这样一来，炼厂就能在不大幅改造现有装置的前提下，利用现有原料体系生产更多高品质石墨，从整体上提升美国的石墨自给率。

路径二：低温、低成本的石墨合成

除了利用传统工业流程生产生物基石墨外，NLR和NCSU团队还开发了第二条技术路径：在约1000°C至1500°C的较低温度下，借助铁基催化剂将热解油转化为石墨。相关成果发表在2025年的《Energy & Fuels》期刊上。

研究人员提出了一种新方法，可在远低于3000°C的条件下，将焦炭催化转化为合成石墨。传统工艺需要使用由石墨制成的高温炉，因为石墨是少数能承受3000°C高温的材料之一。

通过降低石墨化温度，石墨合成所需的能耗大幅下降，而能耗通常是该类生产流程中成本最高的环节之一。同时，较低温度也意味着工业炉可以采用成本更低的材料建造和运行。

该工艺需要在后处理阶段去除铁催化剂，例如通过酸洗等步骤，但整体上能显著提高石墨产量。发表在《Bioresource Technology》上的技术经济分析显示，这条路径在经济上具有可行性。

低能耗、低成本的石墨生产路线，对美国电网同样意义重大。石墨由有序堆叠的碳层构成，能够高效储存锂离子，是锂离子电池负极的关键材料。锂离子电池是电网侧储能系统的主力技术之一，可在电力中断或自然灾害时提供备用电力，提升电网韧性。

NLR高级电池化学研究员 Bertrand Tremolet de Villers 表示：“我们开发的两条石墨化路径，使我们能够从头到尾演示如何将生物质转化为可充电锂离子电池。随后，我们可以在实验室中对这些电池进行表征和验证，确保其安全可靠且性能优异。”

“我们非常期待利用这些在成本和能耗方面优势明显的电池，为美国电网提供支撑。”他补充道。

将废弃物变成资源

就像催化剂能加速化学反应一样，美国的生物石墨生产也有望从一个看似不起眼的来源获得推动力：各类废弃物。为防火而清理的林木残材、电厂产生的工业副产物，甚至城市污水，都可以转化为石墨，为美国的电池和钢铁产业提供原料支持。

Rowland 指出：“美国能源部的报告显示，美国每年可生产超过十亿吨生物质，这还不包括我们目前出口的部分。其中大多数都适合进行热解和后续石墨化，保守估计每年可产出约1亿吨电池级石墨。如果制造商希望扩大石墨产量，生物原料的供应完全能够支撑这一需求。”

实验室的放大研究也在同步推进。为实现生物石墨的规模化生产，研究团队正在建设一套中试规模的延迟焦化装置，可将大量热解油转化为石墨和喷气燃料。该中试装置将示范制造企业如何利用现有基础设施，安全、高效地生产生物石墨。所得石墨将用于制造大型锂离子电池（常用于电网级储能），并在接近实际应用的条件下测试其性能。

Farberow 总结道：“这些工艺确实具备放大到满足未来石墨需求的潜力。只要在工业产能上进行适度投资，就能为美国制造业提供所需的关键支撑。”