拓路前行│ 2022生物质能与生物材料暑期课程圆满结束

作者：杨文博 高海荣

2022年8月26日至9月9日，由国家高等学校学科创新引智计划资助，应生物质与生物质能实验室彭良才教授邀请，澳大利亚昆士兰科技大学农业与生物经济中心张占营副教授在线讲授“生物质能与生物材料”暑期课程，我校植科院、生科院、理学院、工学院和园林学院师生参加。

当前全球变暖，环境日益严峻，来自温室气体CO₂过高的排放成为全人类持续关注和迫切需要解决的问题。在此背景下，利用可再生的碳源——木质纤维素生产可持续发展的产品是一种很好的选择，且具有重要意义。

第一讲，主题为“基于木质素的生物燃料和生物基化学品”。张老师分五个部分进行全面的讲解，首先从木质素的结构入手，介绍了不同种类木质纤维素中木质素、纤维素、半纤维素的含量，并对木质素-碳水化合物复合物（LCC）的结构和键型、木质素单体构成及木质素连接键进行详细讲解。第二部分是木质素的生产工艺，木质素通常是商业造纸制浆、纤维乙醇工艺副产物，通过碱、稀酸、离子液体和有机溶剂等生物质预处理方法，可以生产不同性质的木质素，并阐述了碱性和酸性条件下木质素分离的机理。第三部分介绍了木质素的一些表征方法，如FTIR、TGA、GPC、2D NMR、³¹P NMR等。第四部分概述了木质素对酶解的影响，表面活性剂、附加蛋白、木质素中羧酸含量等对木质素抑制酶解的效果进行讨论。最后是木质素的应用。

第二讲，主题为“基于木质素的功能性聚合物材料”。张老师从木质素功能化部分开始讲解，提出木质素功能化的几种经典策略，然后分析了木质素抗氧化和紫外线活性，并介绍了木质素在聚合物上的几种应用，例如：酚醛树脂、聚氨酯泡沫塑料、生物医学用木质素PLA共聚物、耐燃剂、涂料、污水处理用水凝胶、防晒霜添加剂等。最后重点讲解了木质素纳米颗粒（LNPs）的合成机制及应用领域，LNPs是一种自组装的木质素胶体，具有生物可降解性和生物相容性的优点，成为近几年研究的热点方向。张老师与同学们对LNPs的生产应用与抗氧化和抗菌活性等方面进行了深入讨论，例如：植物生长调节剂、粘合剂、用于合成聚乙烯醇复合材料、热能储存等。

第三讲，主题是“基于木质素的碳材料及应用”，张老师首先讲解了木质素裂解燃料和化学品，催化裂解的方法，例如有机溶剂法、离子液体法等，及在催化转化中面临的挑战，比如缺少易于切割的内部连接键，木质素会发生缩合等问题。然后提出了光催化转化木质素生物燃料的研究，并引出太阳能驱动木质素优先战略。第二部分是木质素衍生生物炭和水热炭。温度是水热炭化过程中的主要影响参数，对水热炭的产率、比表面积、表面官能团都有很大的影响，从而影响制备的水热炭的吸附效果。将生物炭和水热炭进行改性可以用于环境修复，例如重金属废水处理、有机废水处理等。第三部分是生物质衍生多孔碳，成本低，含氧官能团更丰富，比表面积、含碳量较高。生物质成分对制备的生物炭结构和形貌也有较大的影响，纤维素和半纤维素中大量的含氧官能团在热解过程中倾向于以H₂O、CO₂和CO的形式被消除并产生微孔，而木质素含有丰富的化学惰性的芳族单元，从而产生无孔碳材料。生物炭材料作为锂离子电池负极材料时，具备比电容大、充放电效率高等特点。木质素具有丰富的芳香碳环和天然三维网络的独特结构特征，也使其成为储能炭材料的首选前驱体。

每节课后，同学们都会针对自己的研究方向和兴趣，进行了长达一至两个小时提问交流，张老师一一进行耐心且细致的解答。三次课程最后，张老师与我校生物质能团队全体成员互祝中秋节快乐，至此生物质能与生物材料第一阶段课程圆满结束。据悉，第二阶段课程将于11月中旬开启。

<专家简介>

张占营副教授，任职于澳大利亚昆士兰科技大学农业与生物经济中心，是该中心生物过程和生物炼制课题组负责人。长期致力于木质纤维素生物质增值利用研究，先后开发了基于离子液体和有机溶剂的生物质预处理技术、基于有机溶剂预处理的多产物生物炼制平台技术。该生物炼制过程除可生产可发酵性糖外，还可以生产功能性材料产品，如含木质素的纳米纤维素等。共发表论文109篇，其中期刊论文94篇，包括Green Chemistry, Bioresource Technology,Carbohydrate Polymer, Science of the Total Environment,ACS Sustainable Chemistry & Engineering等。根据Google Scholar统计，张占营副教授的论文总引用次数超过3250次，h-index 30。