生物质的电化学转化反应及反应器.doc
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1、生物质的电化学转化反应及反应器摘要:生物质通过电化学转化合成燃料和高附加值化学品是未来化学工业发展的一个重要方向,也是现代社会实现可持续发展的重要保障。在可再生能源产能不断提升,而现阶段暂无成熟的大规模能源存储技术的背景下,如何有效地利用可再生能源所产电能进行生物质的电化学转化是目前学术界和工业界关注的一个热点。本文介绍了近年来该领域的研究进展,着重阐释了关键的电化学反应和相关反应器的设计。从生物质衍生的平台分子的电化学转化取得了一定的进展,然而从生物质到平台分子的电化学转化还面临较大的挑战。提高平台分子和生物质电化学反应的选择性有赖于合适的电极材料和催化剂,而将原位分离与电极反应耦合的设计能
2、够提高产物的收率,特别是在生物质直接电化学转化的过程中。引言现代社会生产生活中所需的燃料和化学品是由基于化石燃料(石油、煤炭及天然气)的化学工业提供的,然而这些化石燃料是非可再生的且储量有限1。因此,社会的可持续发展有赖于找到可再生的燃料和化学品来源2。大气中的CO2通过光合作用固化到植物、藻类及部分真菌中形成有机物,即生物质,这个过程同时也将燃料燃烧排放到大气中的CO2重新固化,实现了碳的闭路循环,有效减轻了温室效应2-4。基于该原因,针对生物质转化为燃料和化学品的研究早已经开展3,5-8。事实上,现有化石燃料也是地球早期的生物质经过漫长时间的复杂化学转化形成的9。目前研究的目的即是将此类转
3、化过程的时间急剧地缩短。迄今为止,相关研究人员尝试了微生物转化(发酵等)10、化学转化11-12和热化学转化5-7等手段,目前这些研究还停留在实验室或者小规模应用阶段。目前,能源结构很大程度上依赖于化石燃料,但核能和可再生能源所占的比重在逐步增加13。由于对裂变核能安全性的担忧,以及短期内热核聚变技术难以突破的现状14,使得以风能、太阳能为代表的可再生能源成为目前能源研究的重心。风能和太阳能发电的一个显著特点就是发电量随天气状况变化而变化,并不稳定15。而可再生能源要并入现有的电网,并满足相对有规律的生产生活用电,这对大容量的能源存储技术提出了较高需求16。在现阶段比较有前景的能源存储技术,如
4、全矾液流电池17,在较难大规模推广的背景下,需要考虑如何有效地利用有时过剩的可再生能源所产的电能,提高其利用效率;否则,在可再生能源占比大的某些欧洲国家,有时甚至会出现电能价格为负的情况18。生物质的转化和如何有效利用过剩的可再生能源产能(或者说波动的电价),这两大背景使得生物质的电化学转化近年来成为一个研究的热点和重点(图1)19-20。对于波动的能源价格,化学工业的一个发展方向是生产过程的智能化生产能够根据能源价格的波动而及时变化,从而降低成本21。这需要先进的控制技术以及工艺过程本身适应波动的能力。电化学过程以电能直接作为反应的驱动力,因而对此具有较强的适应性22。同时,如图1所示,电化
5、学过程也能够处理转化过程产生的CO2(电化学还原),降低碳足迹。因此学术界20,23-26和工业界19都对该研究方向产生了极大的兴趣。本文介绍了生物质电化学转化领域的研究进展和产业动态,着重论述重要的电化学反应及反应器设计,以期促进该领域的研究。第一部分是关于生物质特点和转化路径中重要的平台分子(platform molecules);第二部分遴选重要的电化学反应,并按照反应器设计的流程来介绍;第三部分是文献和产业界关于生物质电化学转化反应器的报道;最后一部分总结了生物质电化学转化的特点和难点,并给出作者对这些问题的看法和建议。1生物质及平台分子生物质按不同的标准有不同的分类,其中一个重要的标
6、准是根据水含量来区分4。水含量的不同也在很大程度上决定了适合不同生物质转化的传统方法3,5-7。就成分而言,生物质的主体是木质纤维素(lignocellulose)。表1根据文献9总结了木质纤维素的组分及其特点。纤维素(cellulose)和半纤维素(hemicellulose)是多糖,通过水解反应可以生成五碳糖(C5sugars)和六碳糖(C6sugars)单体27。纤维素是结晶性聚合物,常温下不溶于水和普通的有机溶剂,在酸溶液中会逐步水解。木质素(lignin)被认为是三种酚类单体在生物体内通过自由基反应聚合而成的交联的三维网络状天然高分子9。木质素也不溶于水和普通的有机溶剂,由于分子结构
7、中大量酚羟基的存在而能溶于强碱性溶液中28-29。从纤维素、半纤维素和木质素到小分子燃料或者化学品的转化,通常要先经过大分子降解到单体的步骤。纤维素和半纤维素在酸性、碱性溶液或者酶的催化下水解生成单糖已经有很成熟的路径27;但这两类大分子通过电化学方法降解的研究还非常少30-31,其中一种电化学途径是通过电极反应产生的氢离子来水解纤维素30。而从单糖进一步到生物燃料(图2和图3)或者高附加值的化学品(图3)的转化还需要经过几步化学反应。在单糖可以衍生的数以百计的化合物中32-33,有一些关键的平台分子处在很多不同的转化路径中,因而成为研究的重点。典型的平台分子包括有机酸(图2)34、糠醛类衍生
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