网络首发||漆新华教授：糠醛转化为生物燃料的研究进展
文摘
科学
2024-12-24 11:11
浙江
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将糠醛等平台化合物转化为生物燃料对缓解能源危机和实现可持续发展具有重要意义。本文系统概述了糠醛通过加氢、加氢脱氧、醇解和内酯化等反应生产生物燃料的反应过程，探究了糠醛催化转化过程的反应机理及研究进展，并对衍生的不同性质的生物燃料做了简要评价，以期为生物基平台化合物转化为生物燃料的研究提供参考。
漆新华，南开大学环境科学与工程学院教授，资源循环科学与管理系主任。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、农业农村部“神农英才”、天津市杰青、教育部“新世纪”人才和江苏省“双创”人才等，是天津市“131”创新团队带头人。近年来致力于木质纤维素类生物质绿色高值资源化研究。先后主持承担了国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等国家和省部级项目20余项。在国内外高水平刊物上发表论文150余篇，被引用5200余次。已获得发明专利授权15项。主编英文专著丛书5部。研究成果获得教育部自然科学奖一等奖、天津市科技进步奖一等奖、天津市自然科学奖二等奖和神农中华农业科技奖各1项。
1. 国家自然科学基金资助项目（22178181）
2. 天津市自然科学基金资助项目（21JCZDJC00180）
3. 中央高校基本科研业务费资助项目（南开大学63243129）
生物燃料的应用可极大缓解化石燃料过度开发利用产生的能源危机及一些列环境问题。糠醛是最重要的生物质基平台化合物之一，其衍生的糠醇、四氢糠醇、2-甲基呋喃、乙酰丙酸酯、呋喃醚和γ-戊内酯等化学品因其较高的能量密度和辛烷值等特性，具有代替传统化石能源作为新型生物燃料或燃料添加剂的巨大潜力。通过生物基糠醛高值转化为生物燃料的研究，既可以缓解日益加剧的能源危机，又符合国家“碳达峰”和“碳中和”的发展战略。系统概述了糠醛通过加氢、加氢脱氧、醇解和内酯化等反应生产生物燃料的过程，探究了糠醛转化过程的反应路径、机理及催化研究进展，并对衍生的不同性质的生物燃料做了简要评价。最后，针对糠醛转化为生物燃料面临的问题与挑战，提出了相应的解决方向，以期为糠醛转化为生物燃料的研究提供参考。第二次工业革命后，化石燃料的应用促进了运输和工业行业的迅速发展。然而全球化石资源的储量极为有限，且世界各地分布极不均衡，对石油等化石能源的过度开发利用加剧了能源枯竭，同时引起了一系列严重的环境问题，如温室效应、水资源污染等。因此，寻找化石能源的可再生替代品是解决能源与发展之间矛盾的根本途径。生物质作为唯一一种含碳的可再生能源，其开发过程中产生的二氧化碳可以被植物重新固定，而且生物质储量丰富、广泛易得，成本低廉，是缓解化石资源短缺的理想绿色能源。世界各国正在朝着生物质能源的工业化和商业化利用迈进。2022年，我国提出“加快发展有规模有效益的生物质能等新能源”的战略目标。2023年，美国能源部（US Department of Energy，DOE ）发布的报告显示，其生物质能源产出足以满足国内5%的能源需求。2018年，欧盟修订的《可再生能源指令》中将2030年可再生能源的消费占比由32%提升至40%。
生物燃料是以可再生生物质为原料，通过各种转化技术获得的碳中性燃料，具有可持续性、可再生性和环保性，是理想的化石能源替代品。使用生物质衍生燃料和化学品可有效缓解能源压力，减少污染物和温室气体排放。以非食用性淀粉和木质纤维素生物质作为原料的生物燃料属于第二代生物燃料，包括从纤维素和半纤维素中生产的生物乙醇和呋喃衍生物如甲基呋喃、呋喃醚、乙酰丙酸酯和γ-戊内酯等精细化学品。与第一代生物燃料不同，第二代生物燃料原料不与食物竞争，来源更为广泛且造价更为低廉，成为替代化石能源的研究热点。木质纤维素衍生的含有呋喃环或其他含氧官能团的化合物，与乙醇相比具有更高的能量密度和辛烷值（BRON），在替代石油基燃料方面具有突出优势。木质纤维素广泛存在于植物中，包括草、硬木、软木等。木质素纤维素主要由纤维素（25%～50%）、半纤维素（15%～25%）和木质素（15%～25%）组成，此外还有一些灰分和提取物。半纤维素酸催化产生的糠醛（Furfural）是最有前途的生物质基平台化学品之一，其还原产生的糠醇、四氢糠醇、2-甲基呋喃以及醚化或开环产生的糠醚、乙酰丙酸酯和γ-戊内酯等精细化学品，因与燃料汽油具有相当的燃料性质，具有作为生物燃料代替传统化石能源的巨大潜力。本文综述了由糠醛催化产生各类生物燃料的转化过程、催化机理及近期研究进展，以期为后续由糠醛生产生物燃料提供理论支持。![]()
图1 木糖转化为糠醛的反应路径
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图2 糠醛加氢制备糠醇的反应路径
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图3 糠醛转化为乙酰丙酸酯的两条反应路径
徐迎迎, 漆新华. 糠醛转化为生物燃料的研究进展[J/OL].能源环境保护: 1-14[2024-12-20].https://doi.org/10.20078/j.eep.20241202.XU Yingying, QI Xinhua. Advances in the conversion of furfural to biofuels[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2024-12-20].https://doi.org/10.20078/j.eep.20241202.![]()
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜邵方嫄
审核｜金丽丽
