【2020年末盘点】EES生物质领域论文盘点
导 语
Energy & Environmental Science是一份关于化学、物理和生物技术科学等方面的期刊，从建刊起他们就致力于发表高质量的研究，以解决全球和社会所面临的关键挑战，确保能源供应和保护未来环境。
这一期我们挑选了EES在生物质领域所发表的热点论文，以此来帮助大家了解绿色化学在能源领域的最新研究进展。
1.生物能源领域碳捕集的前景
通讯作者：S. Park，Department of Forest Biomaterials, North Carolina State University, 2820 Faucette Dr, Raleigh, NC 27606, USA，E-mail: sunkyu_park@ncsu.edu
在美国，纸浆和造纸行业都会利用较多的生物质资源来保证电力和热力恒定，其二氧化碳排放量每年约有1.5亿吨，约77％是生物成因的。此外，制浆和造纸过程中也存在利用CO2的途径。因此，如何利用能捕获和存储二氧化碳的生物能源（BECCS）去除大气中的二氧化碳在制浆造纸业具有巨大的发展潜力。通过自上而下、全行业筛选和自下而上的化学过程建模技术，本文分析了美国制浆造纸厂整合碳捕获、利用和封存的技术和经济潜力，以及从纸浆中捕获和运输二氧化碳的成本，并定性评估了通过工艺创新捕获二氧化碳的替代技术以及纸浆和造纸厂中二氧化碳的使用情况。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee01107j
2.封面论文：高硅柔性电极
通讯作者：Qingfeng Sun等，School of Engineering, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China，E-mail: qfsun@zafu.edu.cn
尽管硅电极有较高的理论热容量，但在使用过程中必须将硅粒子的尺寸减小至纳米级才能避免体积变化，为了提高导电性通常还需要加入高导电性的碳材料。因此，为了保证电极材料的机械完整性和均匀分散性，工业上通常使用较低含量的硅来制备商业电极，而本文设计了一种以纤维素为基础的拓扑微卷轴，通过纤维素纳米片的自滚动来形成一个无粘结剂、柔性的自支撑电极，其硅含量高达92%，保证了在电极水平上的容量优势。在微卷轴中，碳包覆的硅纳米粒子固定在导电碳纳米管上，内部有足够的空隙能容纳硅元素的体积膨胀，这种结构不仅有利于硅的均匀分散以实现高活性，还能得到电学性能优异的电极材料，为开发高效电池提供思路。（本文还入选了当期的封面论文）
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/c9ee02615k
3.木质素优先降解法指导手册
通讯作者：Gregg T. Beckham等，Renewable Resources and Enabling Sciences Center, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO 80401, USA，E-mail: gregg.beckham@nrel.gov
高聚物木质素的选择性降解目前被认为是使木质纤维素生物炼制工业最具有经济可行性的方法。在“木质素优先”的生物炼制方法中，如何在设计阶段充分考虑木质素增值策略有利于木质纤维素的充分利用。本文将木质素优先方法定义为一种主动的稳定化方法，该方法可从天然木质纤维素中溶解木质素，同时避免导致更多难降解木质素的缩合反应。该稳定法可以通过将中间体溶剂化或直接催化转化从而转化为稳定产物或通过木质素低聚物或反应性单体的保护基来实现。为了定量研究和分析木质素优先降解法中的各种产物，本文提出了一套用于分析来自木质素优先降解法的关键数据（包括原料分析和工艺参数）的准则，旨在通过一套共同的可报告指标将木质素优先降解法的各项研究进行联合。这些准则包括原料分析的标准和实践要求、分馏效率、产品收率、溶剂质量平衡、催化剂效率等报告，以及对其他试剂（如还原剂，氧化剂或封端剂）的要求。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d0ee02870c
4.双催化剂体系用于生物质柴油电催化加氢
通讯作者：Yulin Deng，School of Chemical & Biomolecular Engineering and RBI, Georgia Institute of Technology, 500 10th Street N.W., Atlanta, GA 30332, USA，E-mail: yulin.deng@rbi.gatech.edu
电催化加氢（ECH）多被用于生物质柴油的加氢脱氧反应，其温和且绿色环保的反应过程能充分发挥可再生资源在能源领域的应用，但较低的工作电流密度和法拉第电流效率也会让实际应用严重受阻。基于此，本文通过悬浮贵金属催化剂和可溶性多金属酸盐（POM）构建了一种双催化剂体系，在加氢反应中实现了高工作电流密度和法拉第电流效率，这种水溶液电解的方式还解决了传统ECH中烷烃难以高效脱氢的问题。理论计算表明，POM具有超强酸的作用，能使加氢路线转变为碳正离子的形式，使含氧物得到有效的电解脱氧。由于没有电流流过催化剂，甚至该催化过程可以使用非导电催化剂，因此这种体系有广泛的使用前景。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/c9ee02783a
5.高效存储甲烷的生物质活性炭材料
通讯作者：Robert Mokaya，School of Chemistry, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, UK，E-mail: r.mokaya@nottingham.ac.uk
目前在活性炭的合成中还难以制备出具有可预测性和靶向性的材料，尤其是缺少初始碳质物质的材料参数或特征用于预测活性炭的孔隙率和堆积密度。本文报道了一种基于生物质衍生物活性炭的合成方式，该材料具有较高的孔隙率和堆积密度，能有效用于甲烷储存，结果表明，前驱液的氧/碳比能用于调控活性炭中的孔隙率。作者以氧碳比较低的酸枣仁为原材料，通过改变碳化模式，合成了一系列适合沼气储存的活性炭材料，其容量不仅比目前所报道的多孔碳材料均要高，相比于MOF更是经济高效。这些发现为定向合成优异的活性炭材料奠定了基础，并为开发能存储甲烷的高效多孔碳材料提供了思路，这些研究结果还有利于制备具有目标性能的活性炭来用于储能和环境修复等领域。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee01340d
6. 锂离子电容器软包电池用于储能领域
通讯作者：Jon Ajuria，Centre for Cooperative Research on Alternative Energies (CIC energiGUNE), Basque Research and Technology Alliance (BRTA), Alava Technology Park, Albert Einstein 48, 01510 Vitoria-Gasteiz, Spain，E-mail: jajuria@cicenergigune.com
金属离子电容器（MICs）能将电池提供的高能量密度与超级电容器提供的高功率和较长的循环寿命相结合，因此被广泛认为是目前储能领域的重要替代品。而实现这一技术的关键在于如何对石墨电极预金属化并更换。本文报道了一种能扩大化生产的方式，将活性炭和高效经济的牺牲盐（双金属方酸衍生物）结合用作预处理的金属源。通过这种方式分别将锂、钠、钾电容器和硬质碳电极结合，实现了高效储能。不仅如此，锂离子电容器（LIC）软包电池在较高的功率密度下能保持高能量，多次循环后电容保持率仍高于84%，这一突破有利于制备成本低廉、工序简单的LIC，并为市场增长和技术整合减轻障碍。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee00351d
7.生物炼制的可持续发展
通讯作者：Jeehoon Han，School of Semiconductor and Chemical Engineering, Jeonbuk National University, Jeonju 54896，Korea E-mail: jhhan@jbnu.ac.kr
生物炼制在生物能源和生物产品的共产中具有广泛的应用前景，相对于石油基产品，生物炼制技术可以提高产品和能源的效益和可持续性。尽管目前已有不少关于估价或材料的可行性研究，但对如何将生物基产品与可持续生物能源生产结合仍需要更全面的分析。本研究对最近发表的生物炼制可行性研究进行了全面分析，总结了该领域所面临的五个重大挑战：系统边界、技术水平、配置、环境问题和不确定性。通过对10个生物炼制途径与生物乙醇相结合的生物产品的进行分析研究可以发现，当25%的生物柴油被呋喃二羧酸(FDCA)取代时，每加仑汽油当量(GGE)的生物乙醇可产生15.3-16.7 MJ的FDAC，每GGE可缓解2.40-2.48美元的经济压力。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee00812e
8.协同优化发动机和生物混合料的评估
通讯作者：Jennifer B. Dunn，Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA，E-mail: jdunn@anl.gov
通过提高效率来促进燃料和能源设计的发展有助于降低汽车的总成本，支持经济发展，并提供环境效益。辛烷值和辛烷值灵敏度是评判增压式火花点火发动机效率的两种燃料特性，而生物质原料可以生产具有这些特性的混合燃料。因此本文将31%异丙醇、14%甲基呋喃混合物、17%乙醇分别与石油混合，并通过模型评估了轻型舰队从2025年到2050年能源、水消耗、温室气体变化和空气污染物排放的情况。
结果表明，当与协同优化的发动机一起使用时，这些混合燃料可使发动机效率提高10%。基于此，作者评估发现仅在2050年石油消费量就会下降5-9%，而且在未来几年也会呈现类似的下降趋势，这与能源信息管理局预测的结果吻合。总的来说，本文确定了在2025年到2050年之间，当异丙醇作为生物混合燃料时，温室气体排放、水消耗和PM2.5排放的累计减少幅度分别为4-7%、3-4%和3%。到2025年以后，由于这种技术将获得越来越多的立足点，累积的减少量将继续增加，这表明技术渗透需要充分的时间才能实现预期利益。而在以异丙醇为生物混合原料的情况下，每年的工作机会也能增加20万到170万。总的来说，该分析能评估当考虑能源、环境和经济等多种因素时，采用协同优化的燃料和发动机所带来的好处。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee00716a
9.膜萃取体系用于生物丁醇回收
通讯作者：Andrew G. Livingston，Barrer Centre, Department of Chemical Engineering, Imperial College London, London, UK，E-mail: a.livingston@imperial.ac.uk
从液态发酵体系中回收燃料产品所承担的能源负担限制了生物燃料的广泛应用，基于此，本文制备一种膜萃取系统用于从发酵液中回收燃料级生物丁醇，该系统的耗能比目前已有技术的耗能低25%，且可以提取高纯度(＞99.5%)的正丁醇。这一体系是通过将喷雾涂层薄膜与作为萃取剂的2-乙基-1-己醇结合来实现的，这种膜能保护微生物的代谢不受萃取剂的影响。与水相比，萃取剂与正丁醇不形成非均相共沸物，生产正丁醇的总能耗为3.9 MJ kg-1，远低于其他回收工艺的耗能（17.0-29.4 MJ kg-1）。由于（a）提取正丁醇发酵液没有相变，（b）打破了非均相共沸物的关系（蒸馏能耗更少）和（c）萃取剂和发酵液的体积比较小，该体系能避免渗透蒸发、气体剥离或液液萃取等高能量强度过程。除了丁醇，该萃取体系在一系列高级醇连续生产中也都有较好的应用。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee02927k
10.化学酶联反应体系用于光生物制氢
通讯作者：Huajie Liu等，School of Chemical Science and Engineering, Shanghai Research Institute for Intelligent Autonomous Systems, Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China，E-mail: liuhuajie@tongji.edu.cn
光生物制氢是大规模生产氢能最具潜力的途径之一。然而，光生物方法的成本和可持续性严重阻碍了其大规模商业化生产。本文设计了一个恒定且近中性pH的厌氧环境，并利用葡萄糖、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和氢氧化镁所组成的化学酶联反应系统来持续诱导绿藻絮凝。结果表明莱茵衣藻在该工程化的光生物系统中可以稳定产氢近一个月，平均产氢速率为0.44 μmol H2h-1。本研究为工业化规模的光生物制氢开辟了一条新途径，并有望在“液体阳光”中应用。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee00993h
11.细菌挥发性脂肪酸用于
生产生物烷烃气体
通讯作者：Nigel S. Scrutton，EPSRC/BBSRC Future Biomanufacturing Research Hub, BBSRC/EPSRC Synthetic Biology Research Centre, Manchester Institute of Biotechnology and School of Chemistry, The University of Manchester, Manchester, UK，E-mail: nigel.scrutton@manchester.ac.uk
丙烷和丁烷是液化石油气的主要成分并广泛用于运输和生活中，这两种清洁染料有利于低碳燃料和能源政策的发展。本文设计了一种构想，即将细菌培养产生的挥发性脂肪酸进行转化并用于生产生物烷烃气体（丙烷和丁烷）。研究表明，大肠杆菌和盐单胞菌等生物工程菌株可以利用来自生物质或工业废弃物的脂肪酸，以及利用聚胞菌光催化生产生物丙烷和生物丁烷。计算表明利用盐单胞菌在现有基础上进行规模化生产是经济可行的。这些燃料生产方式可以在发达国家和发展中国家迅速部署，并有利于能源安全和实现全球碳管理目标和清洁空气指令。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee00095g
12.化学循环策略在节能减排中应用
通讯作者：Christoph R. Müllerc，Department of Mechanical and Process Engineering, Laboratory of Energy Science and Engineering, ETH Zurich, Leonhardstrasse 21, Zurich, Switzerland，E-mail: muelchri@ethz.ch
化学循环燃烧在二氧化碳捕集中已有较为广泛的应用，然而，除了捕集，化学循环策略还会对预期燃烧（CLBC）的减排、节能和价值创造产生重大影响。本文旨在展示CLBC的多功能性和转换效益，即本文所关注的是消耗40.9万亿英热单位能源并价值4万亿美元的行业--用于化学生产的氧载体或氧化还原催化剂。与最先进的化学生产技术相比，本文阐明了化学循环为过程强化和火用损失最小化所提供的重要机会，很多时候不需要二氧化碳捕集就可以急剧减少能源消耗和二氧化碳排放。除了提供各种CLBC实例外，本文还详细阐述了CLBC的一般设计原则、潜在的优缺点，以及氧化还原催化剂的选择、设计、优化和机理。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/c9ee03793d
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