2022生物质能学研究进展课程圆满结束

作者：何博洋

2022年11月27日至12月17日，受国家高等学校学科创新引智计划资助（以下简称“111计划”），应华中农业大学生物质与生物能源研究中心主任彭良才教授邀请，澳大利亚昆士兰科技大学农业与生物经济中心张占营副教授，在线讲授了“生物质能学研究进展”课程，为我校师生带来《Biorefining for cellulose-based functional materials》系列学术报告。

植物细胞壁代表了地球上最丰富的可再生生物质资源，含量最高的纤维素可以制备纤维素复合材料，应用于能源开发、食品工厂、医疗保健、化妆医美、装修涂料、环境修复等领域。

张占营老师的精彩报告，首先从纤维素在植物细胞壁的结构组成切入，与同学们探讨了宏观纤维素作为一种轻便、高强度、价格便宜的纤维复合材料，在纺织造纸、工业包装、汽车制造、生物制药等方面的应用。自然界中的纤维通常来自于苎麻、亚麻、黄麻、剑麻、大麻等麻类植物，而不同植物木质纤维素中的大量纤维素也是工业上应用自然纤维的重要原料来源。

第二讲，张占营老师与同学们分享宏纤维（Macrocellulose）在材料科学的重要应用与合成方案。具有高特异性吸附能力的复合纤维素膜，可以用于油水分离、染料去除以及环境修复等；具有高生物相容性、高保水性的纤维素水凝胶，可以用于生物医学中的药物释放或伤口愈合、农业工程中的种子保水或化肥缓释、穿戴设备中的皮肤传感以及3D打印的支撑材料等。改性纤维素的流程，一般将纤维素溶解在NaOH/尿素等溶液中，然后对纤维素进行物理或化学交联反应，经修饰后可制备纤维素-金属氧化物纳米符合材料、纤维素-MOF金属有机框架材料等。

第三讲，张占营老师与同学们分享了微纤维（Microcellulose）的制备及应用。介绍了秸秆制备微晶纤维素的常规方法和先进方法。纤维素聚合物复合材料，由于纤维素的3D结构、高聚合度和高结晶度，其在欧拉应力、杨氏模量、断裂应变、热稳定性、透气性、抗紫外线、抗微生物等表征具有优良参数，使其作为一种先进材料广泛应用于各能源、食品、医药、化妆品、环保领域。

第四讲，张占营老师与同学们分享了纳米纤维素（Nanocellulose）的制备及应用。纳米纤维素作为一种可持续材料，分为：纤维素纳米纤维（Cellulose nanofibers，CNF）、纤维素纳米晶（Cellulose nanocrystals，CNC）和细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）。合成纳米纤维素的思路是：通过对纤维素预处理改变纤维表面，随后机械颤动实现纤维素微纤维分离。CNF 的制备包括化学法、机械法、离子液体法、酶解法和微生物合成法等。木质纤维素的预处理是纳米纤维素制备的重要环节，绿色的预处理将极大地节能减排，有微波、电子束、脉冲电场、球磨、超声、酶解等绿色预处理方法。目前，有机酸水解法制备纳米纤维素和多酶系协同制备纳米纤维素是重要研究方向。纳米纤维素作为高分子复合材料的组成，可以改善复合材料的力学性能、提高热稳定性、以及3D材料的稳定性，当然其高亲水性和低分散性限制其部分应用。

第五讲，张占营老师与同学们推荐了近年来研究得非常火热的MOFs材料（Metal-organic frameworks），该材料与纳米纤维素制备为复合材料可极大地推进先进材料科学研究。MOFs材料是一种金属与有机配体配位形成的多孔化合物，具有大比表面积、高孔隙度、可调节的官能团结构等特点，在分离、吸附、储能领域具有强大潜力，但是由于MOFs一般以粉末状存在，极大限制其在应用上的发展。以纳米纤维素作为MOFs的支撑材料，可以极好地拓展MOFs材料的应用。研究报道，纳米纤维素-MOFs材料应用于环境中重金属、染料和其他有机污染物的修复、纳米纤维素-MOFs材料制备3D打印的药物缓释复合材料、纳米纤维素-MOFs材料制备柔性超级电容器等。

第六讲，张占营老师针对本次纤维素基材料课程进行了总结，纤维素是地球上最丰富的碳材料，其来源广泛、总量多、可再生、易降解，是不可多得的工业原料，有助于减轻对化石原料的依赖。纳米纤维素由于其独特的尺寸、形貌和结构，具有优良的可再生性、生物降解性、生物相容性、亲水性等特性，是制备复合材料的先进原料。近年来，众多文章争相报道纳米纤维素的应用研究，例如：纳米纤维素基的温湿度传感器、纳米纤维素基的石墨烯皮肤传感器、纳米纤维素基的近红外激光传感器、纳米纤维素基的氧化石墨烯柔性超级电容器、纳米纤维素基的MOFs复合材料、纳米纤维素基的皮克林乳化剂等。

每次课程结束后，我校师生踊跃与张占营老师交流。对于老师和学生们的每一个提问，张占营老师都耐心地解答疑惑并现场给予学生们课题可行的思路和方案。据悉，华中农业大学生物质与生物能源实验室特聘张占营老师为学生合作导师。张占营老师自2020年10月14日首次来实验室做客生物质能交叉前沿学科讲坛后，长期线上对学生们展开课题讨论与指导，2022年8~9月授课暑期课程《生物质能与生物材料》，2022年11~12月授课博士课程《生物质能学研究进展》，指导发表一篇综述文章在国际知名杂志《Bioresource Technology（IF：11.889）》。

生物质与生物能源实验室与张占营老师合作，受“111计划”资助。“111计划”是教育部、国家外国专家局落实人才强国战略、推进高等学校自主创新的重大举措。其目标是瞄准国际学科发展前沿，围绕国家目标，结合高等学校具有国际前沿水平或国家重点发展的学科领域，以国家重点学科为基础，以国家、省、部级重点科研基地为平台，从世界排名前100位的大学或研究机构的优势学科队伍中，引进、汇聚1000余名海外学术大师、学术骨干，配备一批国内优秀的科研骨干，形成高水平的研究队伍，建设100个左右世界一流的学科创新基地，努力创造具有国际影响的科研成果，提高高等学校的整体水平和国际地位。2007年，教育部、国家外国专家局联合实施的“111计划”，批准华中农业大学彭良才教授负责建设“作物生物能源物质高效合成和转化的分子机理创新引智基地”。