來源：《新京報》第6版 綜合
發(fā)布時間：2024-05-30
■本報記者 許琦敏
化石原料“斷舍離”，可再生原料接替上崗，中國科學家又找到一條重要路徑：將木材、竹材、秸稈中的木質纖維素高效分離成纖維素、半纖維素和木質素，作為可再生化工原料供下游轉化應用。昨天深夜，國際權威學術期刊《自然》在線發(fā)表了這一來自中國科學院大連化學物理研究所歷經十多年的攻關成果。
破解木質素分離的“貪吃蛇”困境
木質纖維素是植物自己合成出的“鋼筋混凝土”，也是自然界中儲量最豐富的可再生原料，主要由纖維素、半纖維素和木質素（簡稱“三素”）組成。我國每年可利用的木質纖維素原料約有12億噸。古人發(fā)明的造紙法，就是將竹、麻、秸稈等植物中的纖維組分分離出來加以利用。不過，這種方式效率很低，即使用現代化學法制漿造紙，分離出的纖維素漿也僅占生物質總量一半左右，而占生物質總量20%—30%的木質素幾乎利用不到。
作為最具利用價值的可再生碳資源，木質纖維素“三素”如果無法充分利用，將限制生物質化工發(fā)展的經濟性和環(huán)境友好性?！澳举|素中天然形成的苯環(huán)在自然界中極為難得，如果可以分離出來用于化工產業(yè)，利用價值非常高?！?005年，論文通訊作者、中國科學院大連化物所研究員王峰開始了分離木質素的探索。
2013年，王峰團隊提出了催化還原解聚天然木質素的方法，引領了木質素優(yōu)先解聚的熱潮，相關論文引用次數已逾千次。
木質素在“三素”中性質最活潑，但在過往研究中，科學家發(fā)現，木質素在分離過程中會發(fā)生不可控的縮聚，“就好像游戲‘貪吃蛇’一樣，會自己一段段連起來，最后變成一大團無法被利用的分子?！蓖醴逭f。
經過細致分析，王峰團隊發(fā)現，木質素分子的縮聚并非不可避免，只要加入與它更“親密”的芳基化試劑——木質素衍生酚，就能讓它們放棄“抱團”。經過如此改性后，木質素的溶解性顯著提高，可與纖維素、半纖維素組分高效分離。同時由于保留了自身活性結構，分離出的木質素更有利于后續(xù)催化解聚。
攻克一個個難關實現變廢為寶
如果說，新能源的應用是在能量供應上替代化石能源，那么木質纖維素的高質量“三素”分離，就是一項在物質供應上實現“石油替代”的關鍵技術。王峰說，這對我國實現“雙碳”目標具有重要意義。
2013年發(fā)表論文提出概念后，王峰帶著團隊攻克實現路徑上一個又一個難關。他回憶說：“從概念到形成木質素催化轉化模型，經過了好幾屆學生的努力，最終回歸分離的本質，才獲階段性成果?！边@一領域也吸引越來越多科學家加入——2015年，一次國際會議僅有半天時間在討論木質素催化轉化，2019年這一領域話題的討論足足持續(xù)了兩天半。
在此基礎上，研究團隊發(fā)展出了一整套的“三素”分離技術，將提取出的木質素制備成環(huán)境友好的可再生雙酚和寡聚酚——其毒性僅為傳統(tǒng)石化工藝生產的雙酚的百分之一。此外，同時分離出的纖維素組分和半纖維素糖可分別轉化為高純溶解漿、木糖和糠醛。
目前，大連化物所王峰團隊已發(fā)表相關論文56篇、綜述15篇，總引用次數超2500次，還申請了80多件專利?！拔覀冋谶M行年產量300噸的工程放大研究，希望能將其最終推向工業(yè)化。”論文第一作者李寧坦言，工藝放大同樣是個艱難而漫長的過程，但其經濟價值與社會意義都十分巨大。
王峰介紹，目前我國溶解漿的下游產品進口依存度近90%，2022年進口量高達300多萬噸，而木糖和糠醛類產品的市場需求量達50多萬噸。木質素經催化解聚可制備綠色化學品、可再生材料和燃料，潛在市場巨大。
“過去，木質素原料往往被當作工業(yè)廢料直接燒掉，現在可轉化為高價值工業(yè)原料。”王峰表示，在這條路上，研究團隊還要在木質纖維素原料的篩選、反應過程減碳、催化劑和反應器的設計、產品純化分離等方面持續(xù)創(chuàng)新、不斷突破，推動相關產業(yè)本土化發(fā)展。
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