制造生物燃料的最佳途径是什么？

环球科学,2012-10-14

除了通过直接采集太阳光的方法来制造燃料，我们还有别的途径利用太阳能吗？先让植物把太阳能储存起来，然后我们再将植物变为燃料，这个主意怎么样？生物燃料（biofuel），例如用谷物制得的乙醇，或者由各种种子制成的生物柴油（biodiesel），都已经在能源市场上占得一席之地。但是它们也威胁着粮食供应，尤其是在发展中国家，由于出口生物燃料比出售粮食给本国居民更加赚钱，这有可能加剧粮食危机。现实也让人气馁：要想通过生物燃料来满足现在的原油需求，我们必须征用巨量的耕地。

因而，将粮食转变为能源，也许并不是最好的办法。一个解决方案就是，利用其他并非那么重要的生物质（biomass）来获取能源。如果用美国每年产生的农业及木料类残渣来制取生物燃料，足够满足一个第三世界国家在交通方面对汽油和柴油的需求。

将这些低等级的生物质转化为燃料，需要打破坚硬的植物分子，例如木质素（lignin）、纤维素（cellulose），两者都是植物细胞壁的主要成分。化学家已经知道如何做到这些，但现在的方法成本过高，效率低下，因而从经济上讲，还不适合通过这种方法来大量生产生物燃料。

打破木质素需要面对的调整之一，就是打断它分子结构中氧原子与苯环上碳原子的连接。美国伊利诺伊大学的约翰·哈特维格（John Hartwig）与阿列克塞·塞尔吉福（Alexey Sergeev）最近就完成了这项挑战。他们发现，一种基于镍元素的催化剂能够做到这一步。哈特维格指出，即使生物质和别的燃料一样，可以提供非化石燃料的化学原料，但化学家们依然需要从中提取出芳香族化合物（aromatic compounds，即分子结构以苯环为主题的结构）。而木质素就是生物质中潜在的最主要芳香族化合物来源。

更实际地，这些生物质的转换将越来越多地以最结实的生物质为原料，并将它们转化为液态燃料，这样才能方便快捷地通过管道运输。而液化过程将在作物收割的现场完成。

催化转化需要原材料极度纯净，这是横亘在化学家面前的一大难题。他们在进行经典的化学合成的时候，很少用到像木材这类非常“肮脏”的材料。“科学界还没有就所有这些方法的使用达成一致，”哈特维格说。但有一点可以确定，现在有非常多依赖于化学方法的解决方案，尤其是那些找到了合适的催化剂的方法。哈特维格指出：“在几乎所有大规模工业化的化学反应中，都能找到催化剂的踪影。”