餐厨废油（WCO），又被称为“地沟油”，通常可以定义为厨余垃圾、地沟和动物的油脂，回收的食用油以及一些餐馆重复使用的煎炸废油。餐厨废油具有鲜明的废物和资源的双重属性。我国每年餐厨废油产生量巨大，2018年WCO年产量达到了600万吨，其随意排放对人类的健康和生态安全造成了严重的威胁，且由于目前监管体系的不完善，造成很多地沟油回流到餐桌，危害人类健康。另外，WCO的主要成分是由甘油和含有大量碳链（C12-C22）的脂肪酸形成的甘油三酯，具有资源化和能源化的潜力。因此，需要对WCO进行无害化处理和资源化利用。在众多的WCO无害化和资源化处置技术中，将WCO等废物资源回收作为原料生产零碳燃料——生物柴油被认为是一种有前途的解决方案，可以最大限度地减少这种废物的有害影响和面临的能源与环境挑战。

所在研究团队针对废弃油脂转酯化制备生物柴油过程中，钙基催化剂活性组分易于流失、耐酸性较差、分离效率低以及热化学转酯化工艺对原料中水分和游离脂肪酸含量要求苛刻等问题，从“催化剂和工艺”两个方面出发，开发了磁性酸碱双功能钙基催化剂，并引入了新型电化学转酯化工艺，来研究如何更加高效率、低能耗地制备生物柴油。

图1. 研究内容概括图.

具体研究如下：

（1）钙钛矿复合催化剂制备及其催化制备生物柴油研究

采用水热结合共沉淀法制备了具有强锚定作用、高协同效应、高功能性，稳定易回收的磁性核壳型Ca2Fe2O5/CaO@(MgFe2O4-Fe2O3)催化剂用于不同油脂转酯化制备生物柴油，核壳之间较强的结合力及各组分之间复杂的协同交联作用有效提高了钙基固体碱的催化活性和稳定性。（Shaige Xia, et al. Energy Sources Part A-Recovery Util. Environ. Eff, 2023, 45(3): 8047-8061.）

图2. 核壳型Ca₂Fe₂O₅/CaO@(MgFe₂O₄-Fe₂O₃)催化制备生物柴油示意图.

（2）磁性酸碱双功能Co/Fe2O3-CaO纳米催化剂催化制备生物柴油研究

采用一步水热法制备了强磁性耐酸型钴掺杂的Fe2O3-CaO纳米催化剂，Co的掺杂使弱磁性的α-Fe2O3转化为强磁性的γ-Fe2O3，催化剂因此具有较强的铁磁性（26.2 emu·g-1），并可通过磁回收；且Co的掺杂以及酸碱双功能组分协同作用有效提升了催化剂的催化活性、耐酸性和稳定性，可用于餐厨废油转酯化制备生物柴油。(Shaige Xia, et al. Renew. Energy, 2022, 189: 421-434)

图3. 磁性Co/Fe₂O₃-CaO纳米催化剂催化制备生物柴油示意图.

（3）废物衍生的磁性CoFe/biochar/CaO催化制备生物柴油研究

以马尾藻和田螺壳废物为原料，制备了废物衍生的磁性CoFe/biochar/CaO催化剂，催化剂主要由碳骨架、CoFe合金和CaO活性组分组成。CoFe合金提供了催化剂的铁磁性用于磁分离，同时提供酸性活性位点用于增强耐酸性；马尾藻生物炭表面具有丰富的官能团，可以分散锚定具有纳米尺度的钙等金属颗粒（~5.64 nm)，从而提高了催化活性和稳定性。(Shaige Xia, et al. Chemosphere, 2024, 350: 141104.)

图4. 磁性CoFe/生物炭/CaO催化制备生物柴油示意图.

（4）基于磁性Co/Fe-Ca基催化剂的电化学转酯化制备生物柴油研究

为了改善传统的热化学转酯化工艺耗时、耗能以及原料中游离脂肪酸和水含量要求苛刻等问题，本研究基于废壳衍生的磁性Co/Fe-Ca基催化剂，引入了新型电化学转酯化工艺，构建了餐厨废油的电化学转酯化反应体系。催化剂中Co的掺杂促进了电化学体系中OH-的产生，提高了体系的电导率，并且伴随着热量的释放，催化剂也发挥了部分热催化的效果。在最优转酯化条件下，电解50 min，生物柴油产率为94.01%，且电化学工艺的能量效率是热化学工艺的2.4倍。该成果证实了从促进电解水方面开发的催化剂对于餐厨废油电化学转化的有效性，且电化学工艺具有较大的经济和可持续应用潜力。(Shaige Xia, et al. Renew. Energy, 2022, 200: 1286-1299.)

图5. 基于磁性Co/Fe-Ca基催化剂的电化学转酯化制备生物柴油示意图.

通过上述研究发现，磁性酸碱双功能钙基催化剂具有较好的耐酸性，在高酸值油脂原料转酯化制备生物柴油方面可以发挥关键作用，避免了复杂的降低酸值预处理。而新型电化学转酯化工艺是从水合酸化劣质油中高效率、低能耗制备生物柴油的有效技术，具有较大的应用前景。