说能解源丨生物质能：生生不息化腐朽为神奇每年金秋时节

每年金秋时节，一望无垠的原野上满眼是黄澄澄的丰收景象。人们在收获沉甸甸的玉米、高粱、稻谷的同时，堆积如山的秸秆却成了心头挥之不去的阴影。从前放一把火一烧了之的简单做法现在已经是行不通了，因为那样会带来严重的大气污染。如何处置这些农业废弃物成了令人头痛的难题。现代科学研究发现，利用化学催化的方法或生物工程技术，能够把秸秆等生物质资源转化成重要的化工产品（例如乙二醇）和各种燃料（例如生物天然气、航空煤油、燃料乙醇等），为秸秆问题提供很好的解决方案。不仅如此，其它富含有机碳资源的农林废弃物、畜牧业、甚至是城市生活垃圾同样也可以被有效地转化。究竟科学家们是怎样做到化腐朽为神奇呢？其中的奥秘就在于，他们发明了对生物质分子中的化学键具有精准剪裁功能的催化剂，并且还驯化出了一大批勤劳能干、不挑食的微生物。

催化剂：一把分子尺度的化学剪刀

秸秆的主要成分是纤维素（~50%）、半纤维素（~20%）和木质素（~20%），以及少量的水溶性成分和灰分。从化学分子结构来看，纤维素由六碳的葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键链接而成（区别于可食用的淀粉，纤维素中β糖苷键化学稳定性更高，无法被人类消化系统降解；半纤维素主要由五碳糖分子构成），分子中含有丰富的羟基官能团。因此，理论上只需要将糖分子中的C-C键选择性地切断，就能够获得一种重要的能源化学品——乙二醇。乙二醇可以用于制造服装用的涤纶纤维，还能用于制造饮料包装，用途可大着呢。但是，怎么才能把超大块头（一万个葡萄糖分子相连）的生物质准确地“剪成”小不点（三分之一葡萄糖大小）的乙二醇呢？这就要依靠神奇的催化剂了。大连化物所张涛院士研究团队就发明制造了这样一把小到分子尺度（纳米级，10-9米）并且能精准剪裁C-C键的化学剪刀——钨基催化剂。在钨基催化剂的作用下，秸秆中富含的糖分子的C-C键被高选择性切断，从而获得了60%以上的乙二醇收率，开辟了生物质化学转化的新路线。

除了乙二醇之外，利用催化的方法，经过一系列复杂的化学转化过程，将生物质打碎，之后按照需要的分子构型再拼接起来，就能够生产天上飞机用的航空煤油，或者其他重要的化学产品。催化剂能干的奇妙的事情可真不少！

生物质制乙二醇及其应用

微生物：勤劳能干的“孺子牛”

除了化学催化的方法之外，人们还可以通过驯化或基因工程制造新的微生物，用于生物质转化。微生物在生长过程中，能够将富含有机碳的生物质垃圾当做美食吃掉，经过消化吸收新陈代谢之后，就能够在体内长出油脂、酿出酒精，或者排放出可以作为燃料的生物燃气-甲烷，不仅消灭了垃圾，同时产出了清洁、可再生生物燃料。这绝对是一群甘于奉献的“孺子牛”，“吃的是草”，奉献的是清洁能源！

生物燃料技术对解决环境问题、提供可再生能源、促进循环经济都具有重要影响，因此受到世界各国的高度重视。以生物燃气为例，目前，德国是世界上沼气工程数最多的国家，瑞典是沼气提纯用燃气最好的国家。在我国，经过科学家们的不懈努力，生物燃气技术水平已经与发达国家接近，甚至部分技术处于领先地位。随着我国生物工程技术的不断发展与成熟，将会有越来越多的微生物清洁能源工厂出现并造福于社会。

我国生物燃气向规模化发展（梁家河）

生物质资源是自然界唯一的可再生有机碳资源，是自然界经过亿万年进化而来的具有生命力的生生不息的一种能源形式。因此，充分利用好自然界对人类的这一资源馈赠，通过科学和技术的不断发展，有效推进清洁能源资源多能互补与规模应用，将显著地减少石油等化石能源资源的消耗，最终有力地促进社会经济的可持续发展。

来源：中国科学院大连化学物理研究所中国科学院广州能源研究所

作者：

郑明远孔晓英张丽娟

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