在對未來可持續燃料和化學品生產的設想中，污水、廚餘和木屑等少量生物質的儲存往往被忽視。其原因是將這些材料運送到大規模的集中式生物精煉廠所需要的能源比它們生產的能源還要多。然而，這些材料中有足夠的碳滯留，理論上可以提供美國運輸燃料需求的25%。

由太平洋西北國家實驗室（PNNL）的研究人員領導的一項新的評論提供了一個捕獲這些未使用材料的解決方案：位於廢物源附近的迷你煉油廠，以及利用可再生能源驅動的電化學還原反應處理這些看似難以被利用的物質。

在最近發表在《化學評論》上的論文中，研究人員從100多年的化學理論中收集了迷你煉油廠加工工業物質的高效部分所需的理論、材料和反應器設計的信息。在過去的四年裡，該計劃一直在研究功能性迷你煉油廠所需的基礎電化學、催化劑設計和反應器設計。

將污水、廚餘和植物廢棄物轉化為燃料的挑戰在於必要的分子轉化。這種轉化的第一步是在高溫下分解生物質，以產生粗製的生物油。這種油含有醛、酮、酯、酸和酚等分子，其中含有許多氧原子。然而，燃料是由各種碳氫化合物分子組成的，這些碳氫化合物分子含有的氫比氧多。向富含氧的分子中添加氫氣需要進行化學轉化，稱為還原反應。為了在生物油上進行這些反應，現有的工業工藝在高溫高壓下用氫氣轟擊生物原油。

在大範圍內，這些反應過程中產生的熱量被收集並重新用於其他精煉步驟。這最大限度地提高了該工藝的總體能源效率。然而，在小規模的情況下，這些熱量就會流失，無法再利用。這意味著需要採用其他的還原反應方法來對小規模的廢物進行局部處理。

眾所周知的電化學還原反應是實現節能小型精煉廠所需的溫和條件的一條途徑。在這些反應中，電力和金屬催化劑，而不是氫氣和熱量推動了分子轉化。混合物中的其他分子也可以同時被清除，在反應過程中提供氫原子。

與使用氫氣的熱化學還原相比，生物油中特定分子的電化學還原可以在不提高反應溫度的情況下更快地進行，並產生較少的副產品。這意味著在以後的生產過程中需要更少的淨化步驟，從而提高了整個過程的能源效率。

電化學轉化所需的基本電化學已為人所知數百年。然而，大多數工作都涉及到實驗室對代表來自生物質的分子的模型化合物的研究。在這篇綜述中，研究人員概述了現有的信息–仍然需要將這些反應搬出實驗室。這些信息包括研究開發能夠處理生物油中發現的複雜分子混合物的新催化劑，以及電化學分析以開發節能工藝。

PNNL的”化學轉化計劃”為推進這項工作提供了一個獨一無二的機會，因為它將具有催化專業知識的研究人員與擅長電化學的研究人員結合在一起。這些不同的視角共同帶來了有關指導電催化反應每一步的基本原理的知識。然後，研究人員可以在這個廣泛的基礎上推動現有科學向應用發展，並將特定反應與特定的生產步驟相匹配。