The Innovation | 古老能源焕发新“碳”活力

导  语

提起生物质，大家可能会觉得陌生；然而，提到钻木取火、烧火做饭的木材、秸秆，大家一定耳熟能详。生物质，这种古老的可再生能源，在近十年，特别是在全球提倡双碳的背景下，如何持续绽放活力？生物质利用面临怎样的挑战和机遇？科学家们如何利用先进的理念和技术进行科学地利用？中国科学院院士、The Innovation主编韩布兴和法国科学研究中心实验室主任Yves Queneau将为我们解惑。

图1 生物质替代化石资源向化学品、燃料和材料的转化

现阶段，生物质的利用更多使用它的狭义概念，是指利用大气中的二氧化碳、水、土壤等通过光合作用而产生的各种有机体，主要包括农、林产品及其剩余物，如秸秆、稻壳、玉米芯、木屑等。类似于太阳能、风能，生物质具有可再生性；同时，生物质也是可再生的有机碳源，可以作为生产能源产品、高附加值化学品和材料的原料（图1）。全球每年会产生大量非粮生物质和农林废弃物，生物质的转化与利用已成为一个真正的研究领域，但同时也面临着挑战。

生物质利用的关键：绿色化学

虽然生物质本身具有“可再生”的绿色属性，但在整个利用过程中，更需要绿色化学原理的指导：需在转化与利用过程中考虑反应效率、原子经济性、资源消耗等因素。而且，绿色化学的理念需要在生物质生产、转化，直至最终利用的各个阶段贯穿始终。如今，全球越来越多的人，特别是化学品生产商们意识到有必要更新其产品体系，更多地使用含有可再生碳的化合物。只有这样，才能减少对化石能源的依赖；调整碳资源结构，以减少向大气中排放温室气体。

然而，如果从“碳足迹”的定义出发，以生物质为原料制备化学品的优势仍需更多的考虑。因为影响化学产品的“碳足迹”不仅取决于原料是否可再生，还需考虑从源头到最终产品的使用和寿命全流程中的碳消耗。当生产化学品的原料从石油转移到生物质时，如果只考虑了植物生长期间二氧化碳的利用，而忽略了后面转化和使用过程的碳消耗，难免会夸大了生物质作为原料的利用优势。使用生物质，不仅要考虑减少对石油等化石资源的依赖，还必须考虑其化学品的附加值，提高经济性。从长远来看，生物质的利用应该视为向后石油时代迈出的重要一步。

生物质选择性转化的挑战

与化石能源相比，生物质的结构更加复杂。生物质的主要组成包括木质素、碳水化合物、油脂等，每一种组分都有其特殊的化学结构和性质。而且，在高温和苛刻化学条件下，这些组分的化学稳定性差别很大，使化学反应变得很复杂。其次，构成生物质的生物大分子是通过非共价、强交互作用等相连接，高值化转化利用中，需要特定的预处理步骤，将其分离成不同组分。

木质纤维素是最重要的生物质之一，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其转化和利用的主要方法有热化学法和水解法。热化学法可分为热裂解法和气化法。热裂解法是将生物质在较高温度下裂解成生物油，通过进一步加工制备高品质燃料和化学品。气化法是在高温下先将生物质转化为合成气（氢气、CO），然后通过费托合成制备化学品和燃料。水解法是指先将木质纤维素分离成纤维素、半纤维素和木质素，然后分别转化利用。热化学法的优点是原料普适性强、利用率高，缺点是转化温度高。水解法的主要优点是操作条件较温和，可根据原料特性合成目标产品等，缺点是前处理分离过程复杂、原料利用率较低等。

虽然在经济和可持续性方面，人们对生物质有很高的期望，产业化前景广阔，但是在扩大生物质化学品产业化进程中，仍面临着理论化学、催化、工程等诸多方面的挑战。

总结和展望

碳源是合成有机产品的必需品。后化石资源时代，终将成为一个只依赖生物质生产化学品的新时代。因此，现在必须通过广泛研究解决相关科学和技术问题。从长远来看，必须利用生物质的特性，建立生物质资源产品体系，通过科学和技术不断创新和进步，生物质和二氧化碳的利用将越来越广泛，这将为绿色、可持续和安全化学品体系的形成做出重大贡献。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00109-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Perspective发表的“Biomass: Renewable carbon resource for chemical and energy industry” (投稿: 2021-06-23；接收: 2021-09-29；在线刊出: 2021-11-09)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100184

引用格式：Queneau Y., Han B. (2021). Biomass: Renewable carbon resource for chemical and energy industry. The Innovation. 3(1),100184.

作者简介

Yves Queneau，The Innovation编委，法国里昂大学分子和超分子化学与生物化学研究所，法国科学研究中心实验室主任和英国赫尔大学荣誉教授。致力于可再生资源的利用和功能多糖衍生物等领域的研究，曾获“Europol’ Agro”奖章、CNRS优秀科学家奖，并于2015年荣获卢嘉锡讲座奖。在国际重要学术期刊发表研究论文170余篇，并多次以主席身份主持国际学术研讨会，是著名有机化学期刊Carbohydrate Chemistry的编委。

Buxing Han，韩布兴，The Innovation主编，中国科学院化学研究所研究员，英国诺丁汉大学荣誉教授，中国科学院院士, 发展中国家科学院院士。主要从事化学热力学与绿色化学的交叉研究，在超临界流体、离子液体等绿色溶剂体系化学热力学、绿色溶剂在化学反应和材料合成中的应用研究方面取得系统性成果。在 Science、Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表SCI收录论文600余篇，论文被引用18000余次，获国家专利30项。作为第一完成人获国家自然科学奖二等奖1项、北京市科学技术奖二等奖1项、国家和省部级科技进步奖3项。现任创新中国智库首席科学家、中国化学会化学热力学与热分析专业委员会主任、中国能源科技产业学会副会长, 2007年被选为英国皇家化学会Fellow。

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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者们来自全球29个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外；已被78个国家作者引用。目前有188位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，29位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed等数据库收录。

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