生物質能：生生不息 化腐朽為神奇

每年金秋時節，一望無垠的原野上滿眼是黃澄澄的豐收景象。人們在收穫沉甸甸的玉米、高粱、稻穀的同時，堆積如山的秸稈卻成了心頭揮之不去的陰影。從前放一把火一燒了之的簡單做法現在已經是行不通了，因為那樣會帶來嚴重的大氣污染。如何處置這些農業廢棄物成了令人頭痛的難題。現代科學研究發現，利用化學催化的方法或生物工程技術，能夠把秸稈等生物質資源轉化成重要的化工產品（例如乙二醇）和各種燃料（例如生物天然氣、航空煤油、燃料乙醇等），為秸稈問題提供很好的解決方案。不僅如此，其它富含有機碳資源的農林廢棄物、畜牧業、甚至是城市生活垃圾同樣也可以被有效地轉化。究竟科學家們是怎樣做到化腐朽為神奇呢？其中的奧秘就在於，他們發明了對生物質分子中的化學鍵具有精準剪裁功能的催化劑，並且還馴化出了一大批勤勞能幹、不挑食的微生物。

催化劑：一把分子尺度的化學剪刀

秸稈的主要成分是纖維素（~50%）、半纖維素（~20%）和木質素（~20%），以及少量的水溶性成分和灰分。從化學分子結構來看，纖維素由六碳的葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵鏈接而成（區別於可食用的澱粉，纖維素中β糖苷鍵化學穩定性更高，無法被人類消化系統降解；半纖維素主要由五碳糖分子構成），分子中含有豐富的羥基官能團。因此，理論上只需要將糖分子中的C-C鍵選擇性地切斷，就能夠獲得一種重要的能源化學品——乙二醇。乙二醇可以用於製造服裝用的滌綸纖維，還能用於製造飲料包裝，用途可大著呢。但是，怎麼才能把超大塊頭（一萬個葡萄糖分子相連）的生物質準確地「剪成」小不點（三分之一葡萄糖大小）的乙二醇呢？這就要依靠神奇的催化劑了。大連化物所張濤院士研究團隊就發明製造了這樣一把小到分子尺度（納米級，10-9米）並且能精準剪裁C-C鍵的化學剪刀——鎢基催化劑。在鎢基催化劑的作用下，秸稈中富含的糖分子的C-C鍵被高選擇性切斷，從而獲得了60%以上的乙二醇收率，開闢了生物質化學轉化的新路線。

除了乙二醇之外，利用催化的方法，經過一系列複雜的化學轉化過程，將生物質打碎，之後按照需要的分子構型再拼接起來，就能夠生產天上飛機用的航空煤油，或者其他重要的化學產品。催化劑能幹的奇妙的事情可真不少！

生物質制乙二醇及其應用

微生物：勤勞能幹的「孺子牛」

除了化學催化的方法之外，人們還可以通過馴化或基因工程製造新的微生物，用於生物質轉化。微生物在生長過程中，能夠將富含有機碳的生物質垃圾當做美食吃掉，經過消化吸收新陳代謝之後，就能夠在體內長出油脂、釀出酒精，或者排放出可以作為燃料的生物燃氣-甲烷，不僅消滅了垃圾，同時產出了清潔、可再生生物燃料。這絕對是一群甘於奉獻的「孺子牛」，「吃的是草」，奉獻的是清潔能源！

生物燃料技術對解決環境問題、提供可再生能源、促進循環經濟都具有重要影響，因此受到世界各國的高度重視。以生物燃氣為例，目前，德國是世界上沼氣工程數最多的國家，瑞典是沼氣提純用燃氣最好的國家。在我國，經過科學家們的不懈努力，生物燃氣技術水平已經與發達國家接近，甚至部分技術處於領先地位。隨著我國生物工程技術的不斷發展與成熟，將會有越來越多的微生物清潔能源工廠出現並造福於社會。

我國生物燃氣向規模化發展（梁家河）

生物質資源是自然界唯一的可再生有機碳資源，是自然界經過億萬年進化而來的具有生命力的生生不息的一種能源形式。因此，充分利用好自然界對人類的這一資源饋贈，通過科學和技術的不斷發展，有效推進清潔能源資源多能互補與規模應用，將顯著地減少石油等化石能源資源的消耗，最終有力地促進社會經濟的可持續發展。

來源：中國科學院大連化學物理研究所 中國科學院廣州能源研究所

作者：鄭明遠 孔曉英 張麗娟

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