确认过眼神，生物质遇上“对的人”

iamkfeng

　提到能源，人们首先会想到煤炭、石油、天然气等，它们在各行各业中有着举足轻重的地位。近年来，随着化石能源的减少和环境污染的增加，寻找能够替代化石能源等一次性能源的新型可再生能源迫在眉睫。

　　生物质能，这种可再生能源越来越得到科学家们的青睐。生物质能是利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源。

图2 焚烧农作物秸秆（图片来自网络）

　　生物质是地球上最丰富的可再生资源，如何有效利用这种资源，是科学家们一直努力探索的问题之一。

　　以农作物秸秆为例，中国每年产生超过7亿吨秸秆类生物质，这类本应成为宝贵资源的生物质目前除少部分被有效利用外，其余全部被焚烧或经过自然降解而被消耗。季节性焚烧农作物秸秆已成为中国独有的一道“风景线”，生物质资源“找不到对的人”的状况不仅造成巨大资源浪费，而且产生的大量二氧化碳及甲烷等温室气体会对环境造成恶劣影响。

　　因此，生物质资源的有效利用对于改善环境、部分替代化石能源和可持续发展等具有重大意义。

图3 生物质转化过程（图片来自网络）

　　科学家发现，生物质及其衍生平台分子经过多种催化转化过程，可以转化成燃料和化学品，用来取代化石资源。由于其丰富的含氧量，生物质衍生平台分子的“选择性加氢”被认为是生物质精细化工生产中应用最广泛的方法之一。

　　也就是说，有效利用生物质资源的关键，在于找到合适的催化剂，这就相当于给生物质资源寻找一个“对的人”。

图4 （图片来自网络）

　　为了寻找这个“对的人”，科学家们一直想了很多办法。

　　目前“加氢催化剂”的活性组分主要依赖于贵金属（铂，金，钯，钌等）活性位，但它们的储量低且价格昂贵，严重制约了其工业化应用。而传统非贵金属纳米催化剂由于形貌和尺寸均一性差、活性位点单一，导致了其在加氢催化过程中的活性、选择性以及稳定性差。

　　虽然最近基于金属有机框架材料制备低成本、高催化活性的金属-氮-碳结构的催化剂体系得到了研究者的广泛关注，但是金属有机框架材料的高温直接碳化会导致氮含量和孔隙率下降，影响材料的催化性能。因此，需要构筑合适的纳米结构去保持材料的催化活性。

图5 金属有机框架材料衍生催化剂体系（图片来自网络）

　　那么，如何才能构筑出合适的纳米结构以保持材料的催化活性呢？

　　最近，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所给出了答案：他们找到了一种适合于生物质加氢的高效非贵金属催化剂，即氮掺杂碳纳米管包裹的钴纳米颗粒催化剂。

　　由于高温分步热解使得碳纳米管的生长更有序，同时一维碳纳米管结构可有效阻止碳化过程中钴颗粒的增大和团聚，使得钴纳米颗粒被高度均匀的包裹于氮掺杂碳纳米管。

　　分析表明，所构筑的催化剂存在大量的钴-氮活性位，进而导致非贵金属催化剂在生物质加氢过程中具有“三高”，即高活性、高选择性以及高稳定性，其催化性能达到甚至超过现有贵金属催化剂的水平。

图6 催化剂形貌及结构表征

　　相关研究为制备具有高效非贵金属基加氢催化材料提供了新的、有效的途径，并为新的加氢活性位的理解提供了一定的基础。研究成果发表在国际期刊《先进材料》上