生物質資源納米技術&先進功能材料

第八次全國森林資源調查(2009-2013)結果表明，全國森林覆蓋率為21.63%，森林面積為2.08億公頃，森林蓄積為151.37億立方米。森林覆蓋率遠低于全球31%的平均水平。人均森林面積僅為世界人均水平的1/4，人均森林蓄積只有世界人均的1/7。森林資源總量不足，質量不高。木材產量滿足不了國民經濟發展的需要，我國每年木材消費量約5億立方米，年木材供需缺口達2.5億立方米，這主要靠進口解決。此外，我國非木材生物質資源十分豐富，每年農作物秸稈產量為7.2億噸，蝦、蟹和貝類等殼體水產品廢棄物每年在300萬噸以上，有的焚燒，有的廢棄，對環境產生嚴重污染。綜觀我國林木資源和非木生物質資源現狀可見，木材供需矛盾突出，非木資源豐富。

運用高新技術和新的加工方法全面提升林木產品質量和高效利用農業、林業和水產品加工的廢棄資源是當務之急，是解決木材缺口和農作物秸稈等生物質廢棄物對環境危害的主要途徑，這將對我國建立節約型社會、實現循環經濟發展和生態文明產生積極的影響。這也正是筆者編著《生物質納米材料與氣凝膠》一書的初衷和所期待實現的目標。

▲不同尺度生物模板的遺態轉化研究

自然界的生物形態多樣，在制備材料時可根據目的材料的要求和用途，選擇不同形貌和結構的生物體作為模板材料。圖給出了利用不同尺度的生物模板制備的具有相應生物體精細結構的新型無機材料。左列所示為原始生物體結構，右列所示為合成的具有相應生物體結構的無機材料

筆者所在課題組自2007年開始，連續得到國家自然科學基金委員會重點項目(編號：30630052)、面上項目(編號：31270590)和青年科學基金項目(編號:31500468)的資助。在全國林業工程學科同仁的支持下，做了大量的實驗，堅持了近十年的預研和立項研究工作，以多種功能化生物質材料與全組分氣凝膠制備技術為核心，堅持多學科交叉融合的科學理念，并結合未來的生產應用需求，編寫了《生物質納米材料與氣凝膠》一書。其主要特點如下：

1. 研究對象全部為生物質廢棄物。書中所介紹實驗的原材料全部是廢舊木(竹)材加工剩余物、農作物秸稈、蝦殼、蟹殼、貝殼、椰子殼、松針、廢舊報紙和海藻等數十種多類別的生物質廢棄物，為今后這些廢棄資源的利用找到了新的途徑。
2. 制備技術源于多學科交叉融合。通過多尺度納米技術、仿生智能化技術、半導體金屬氧化物或有機質界面修飾技術和聚合物網絡互穿技術等的交叉融合，獲得了功能化的納米材料和生物質中三種天然高分子物質同步轉化形成的薄膜、泡沫和氣凝膠等系列材料。

▲NFC和NFCH通過干燥技術的二次組裝示意圖

運用“自上而下”（top-down，即將較大尺寸物質拆解、分散制備小塊納米材料）技術，首先探索有效的方法制備出納米纖絲化纖維素（NFC）和納米纖絲化甲殼素（NFCH），進而運用多種二次組裝技術，將這些一維納米纖維作為新的納米結構單元，利用包括氫鍵在內的次級鍵組裝成新型具有宏觀尺度的不同多級結構材料

3. 聚焦前沿、注重內容的先進性。書中引用了國外科技發達國家諸多研究者的大量相關文獻資料，并審視其研究內容的先進性、前瞻性和實踐性；注意運用多學科的科學理論與先進的分析表征方法及具體制備技術相結合。

▲材料合成示意圖

本書的整體思路是通過“自上而下”和“自下而上”的加工方法，將天然高分子制備成多種新型多孔材料，在此基礎上與無機氧化物納米材料進行多種方式的復合，以期所制備的先進材料在有機化合物的光催化降解和吸附上有突出表現

我們希望本書能夠作為一個天然高分子在材料科學的前沿匯總，并刺激材料可持續性發展的研究，特別是加強其在清潔能源和環境中的應用。這將是匯集環境科學家、經濟學家、社會科學家、化學家、材料科學家、理論科學家和工程師的高度跨學科的多學科研究法，是一個巨大的挑戰。

本書是我國林業工程領域，以木(竹)材等生物質廢棄物為原材料制備天然高分子全組分氣凝膠的第一部著作。內容廣博，學科交叉外延，撰寫難度大，限于時間和作者水平，欠妥和疏漏之處在所難免，懇請讀者不吝賜教，謹致謝忱！

本文摘編自盧蕓、李堅等著《生物質納米材料與氣凝膠》一書“前言”，有改動，文中插圖、欄目文字來源于正文。

《生物質納米材料與氣凝膠》結合作者近年來的研究成果及國際上的前沿研究成果，詳細闡述了天然結構高分子氣凝膠的制備工藝、形成機理與功能化后的應用。全書內容包括：生物體結構組織中高分子的種類、研究進展及應用前景；海洋和陸地生物質資源分布概況；生物質結構的構造學特征和干燥工藝；纖維素的物化性質、化學結構、纖維素溶劑和纖維素氣凝膠等功能材料的制備方法及性能；木質素與木質纖維素的化學性質、化學結構、木質纖維素溶劑和木質纖維素氣凝膠的制備方法、性能、組裝理論和應用前景；甲殼素的物化性質、化學結構、甲殼素溶劑和甲殼素氣凝膠等功能材料的制備工藝；天然結構高分子氣凝膠功能化后的新型功能材料的制備與應用。

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