随着全球经济的快速增长，能源需求持续上升[1,2]。传统的化石燃料主要基于石油资源，由于其不可再生性，面临着日益严重的供应压力。此外，对化石燃料的持续依赖加剧了全球变暖和环境问题[3]。因此，开发可再生和环保的替代能源已成为紧迫的战略任务，而生物柴油因其清洁和可持续的特性而受到广泛关注[4]。生物柴油主要由脂肪酸甲酯组成，通过催化剂存在下油脂与酒精的酯化或酯交换反应生成。与传统柴油相比，生物柴油具有可再生性、生物降解性和低毒性等优点。它还具有高燃烧效率、高闪点、低硫含量[5]以及减少污染物排放，使其成为具有广泛应用前景的绿色能源。因此，生物柴油被认为是传统化石燃料的理想替代品，符合当前的环境可持续性目标，代表了具有巨大发展潜力的绿色清洁能源。
大多数生物柴油可以来自多种脂质来源，包括原生植物油、废弃煎炸油（WFO）、动物脂肪、非食用油或某些长链脂肪酸[6]。虽然WFO、动物脂肪和某些非食用油通常含有较高的游离脂肪酸（FFA）水平，这对传统的碱催化酯交换反应构成挑战，因为这些脂肪酸和水分会引发皂化反应，从而复杂化产品纯化步骤并增加分离成本[7]。因此，在实验室中，通常使用油酸（OA）作为模型化合物来评估酸催化剂通过甲醇酯化生产生物柴油的活性[8]。此外，与植物油相比，废弃煎炸油更受欢迎，不仅因为原料成本低，还因为其单一化学成分便于监测和精确评估催化活性、选择性和稳定性[9]。
生物柴油的工业合成主要使用均相催化剂，如H₂SO₄[10]。然而，这些催化剂具有高度腐蚀性，需要更高的设备标准，并存在安全和环境风险。为了解决这些问题，人们广泛开发了非均相催化剂，因为它们易于分离、可重复使用且无腐蚀性[11]。Michelle等人[12]合成了金属有机框架材料，在催化油酸转化为生物柴油的反应中取得了优异的酯化率。Wang等人[13]制备了介孔SO₄²⁻/ZrO₂催化剂，在酯化和酯交换反应系统中表现出良好的催化性能。SO₄²⁻/TiO₂/ZSM-5和Zr⁴⁺型阳离子交换树脂固体酸催化剂在酯化反应中也表现出优异的催化性能[7,14,15]。然而，这些催化剂存在原材料成本高和制备过程复杂的问题，阻碍了其大规模工业应用。
基于碳的固体酸催化剂，特别是那些以生物质为前体制备的催化剂，已成为催化领域的研究热点，因为它们原料丰富、成本低、毒性低、比表面积大且表面特性可调[16,17]。这些催化剂通常通过磺化碳化生物质来引入-SO₃H酸性位点。生物质原料（如核桃壳[19]、香蕉皮[20]、榴莲皮[21]、木苹果壳[22,23]、甘蔗渣[24]和罗望子籽[25]）储量丰富且成本低，被广泛用于制备基于碳的固体酸催化剂[18]。此外，基于碳的催化剂的活性很大程度上受其缺陷结构、孔结构和表面性质的影响。sp²碳中的缺陷位点可以精确设计，赋予特定的催化功能。值得注意的是，富含缺陷的碳框架为功能基团提供了大量的锚定位点，显著增加了磺化碳催化剂中的-SO₃H密度，从而提高了其酯化反应的催化活性[26]。甜菜糖蜜是糖工业的主要副产品，富含糖分和碳源，价格低廉，是制备基于碳的固体酸催化剂的理想原料[27]。糖蜜中微量的Fe和Mn离子（见表S1）以及特定的碳化条件显著影响碳缺陷的形成。虽然将废弃糖蜜转化为活性炭的研究较少，但甜菜糖蜜在绿色催化和废弃原料的高值利用方面显示出巨大潜力，符合循环经济和碳中和的发展战略。
本研究利用甜菜糖蜜（糖工业的副产品）作为原料，通过碳化和磺化两步工艺制备了一系列基于碳的固体酸催化剂。使用SEM、XPS、XRD、拉曼光谱、Py-IR和FT-IR系统地表征了它们的物理化学性质。最佳催化剂被用于油酸与甲醇的酯化反应以生产生物柴油。通过单因素实验和BBD-RSM优化了工艺条件，并探讨了催化剂的重复使用性能。此外，还通过FT-IR和¹H NMR分析了生物柴油产品。最后，评估了潜在的催化酯化反应路径。本研究为生物质废弃物的资源利用提供了一种新方法，并提出了一个高效且经济的绿色生物柴油合成催化系统。
