從源頭上取代石油產品，這是湖北小伙羅予勍（qíng）的研究。在相關論文中，和他一起撰文的共同第一作者已成立相關公司進行孵化。
整體來看，這項工作展示了用不同生物精鍊木質素生成高價值產品的可能性。研究中，他和同事提出一種用可再生資源生產聚合物前體的新工藝，並展示了該方法在高價值樹脂材料上的良好經濟性。
圖 | 羅予勍（來源：羅予勍）
羅予勍是湖北武漢人，目前在美國特拉華大學化工系讀博。近日，其擔任共同一作的論文，以《通過強化還原催化解構在常壓下將木質素增值為高性能聚合物》（Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction）為題發表在 Science Advances 上 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
其導師瑪麗安蒂·耶拉佩特里圖（Marianthi Ierapetritou）教授擔任共同作者，特拉華大學化學與生物分子工程系教授托馬斯·H· 埃普斯三世（Thomas H. Epps III）擔任通訊作者。
改進傳統的木質素還原催化分餾技術
當前，能源和化工品依然主要依靠石油原料來進行生成，這難免會造成大量的碳排放。近年來，人們對於環境問題的關注度越來越高，很多國家都制定了碳達峰碳中和減排目標。而使用生物質代替石油原料，被認為是一種非常有潛力的解決方案。大量公司和科研機構都在相關實驗上投入頗多，也提出了多個在實驗室里行之有效合成路徑。
但是，目前大多數的企業運轉和決策仍然受到經濟效益的約束。對於一項技術來說，要想被公眾接受和企業採用，不光需要有減少二氧化碳排放的效果，更需要能保證生產成本能與當前傳統的石化產品競爭。例如，生物質發酵製造乙醇燃料的工藝經過多年發展幾代迭代，已能實現較大規模的生產，但是較高的生產成本使得其應用仍然飽受限制。
木質素廣泛分佈於各種生物質原料中，特別是木材、樹皮和藻類這樣的非糧食性生物質材料中。而該研究是對傳統的木質素還原催化分餾技術的改進，主要創新來自於合作者的實驗部分。
當前，很多研究已能將生物質中的其他大多數組分，有效轉化成糖類、以及其他有價值的中間體。但是，如何有效利用木質素仍是一項挑戰。
例如，造紙流程中會產生大量廢棄木質素，由於缺乏有效利用，大部分都被燃燒以用來提供整體流程所需的熱量。而不可避免的，這一過程會產生大量二氧化碳，從而加劇氣候變暖的影響。
在該工作中，課題組選用較高沸點的甘油作為溶劑，並參與木質素還原催化分餾反應。而傳統的方法大多使用甲醇作為溶劑，以及使用過量的氫氣。由於反應時間較長，傳統的高壓間歇式流程將更難放大到工業生產的規模，同時也更難操作。
（來源：Science Advances）
而使用甘油在常壓下反應，並同時進行反應蒸餾的方法，既方便連續性生產，又能有效提升能量的利用。
羅予勍表示：「我們的實驗合作者，將這種新的木質素轉化技術命名為反應精餾-還原催化解聚。此外，還繼續探索了將獲得木質素衍生的酚類進行官能化，並用於製造 3D 打印樹脂和壓敏膠的應用。」而除了論文中提到的用於 3D 打印或者壓敏膠的樹脂材料，木質素衍生的酚類還可用於製造香水或者其他香味添加劑。
從源頭上取代石油產品，共同一作已成立相關公司並獲得州政府資金支持
在該論文中，羅予勍主要從新的實驗條件和結果出發，對化工流程進行設計和模擬，並做以經濟技術分析。主要目的是在經濟性方面，將改進後的流程與傳統方法進行比較，以期在實驗室研究的早期階段，揭示制約目前技術發展的經濟性因素，比如過於昂貴的原料和反應溶液濃度過低等從而進一步助力這項技術的改進。
（來源：Science Advances）
據介紹，該課題是特拉華大學 National Science Foundation Growing Convergence Research 基金的研究項目。此次研究的合作者托馬斯·H· 埃普斯三世（Thomas H. Epps III）教授，已在該領域探索多年，其課題組此前已有很多鋪墊性的工作。在確定完畢實驗部分的可行性、以及對合成路徑進行詳盡實驗之後，他們聯繫到羅予勍所在課題組，希望通過合作將他們的木質素轉化技術和傳統方法進行比較，以便做進一步的改進。
本文的共同第一作者羅伯特·奧迪亞（Robert M. O』Dea）博士生正在繼續開發並商業化這項技術。目前，他和其導師托馬斯·H· 埃普斯三世依據這一系列技術，在 2019 年創立了一家名為 Lignolix 公司，目前已獲得特拉華州的資金支持。
據介紹，此次論文主要專註於經濟技術分析，即考察該技術的成本方面。後續他們對該技術進行生命周期評估，來分析通過使用生物質取代原油來生成化學品對於環境的影響。
（來源：Science Advances）
近些年，由於全球性氣候問題持續受到關注、以及各國低碳減排目標的確立，這方面的研究越來越被公眾了解。使用生物質原料來生產化合物的出發點，就是希望從源頭上取代石油產品，從而減少碳排放。但是，如果在實際生產中使用了其他石油化工品或是過量的能源，反而有可能會排放更多的溫室氣體。
同時，考慮生物質原料的具有複雜性、來源也具有多樣性，羅予勍和同事設計了更整合的流程來轉化木材處理中的邊角料，比如樹皮、樹枝、樹葉等，從而更有效地利用生物質的其他組分比如纖維素等來生產化學品。他表示，這部分工作已整理成論文，目前已經過第一輪修改，正在進行第二輪同行評議。
（來源：Science Advances）
大三暑假修完本科課程，出國加入賓大實習
據介紹，羅予勍本科畢業於上海交通大學化學化工學院，最初選擇高分子系主要是覺得很有趣。對他來說，高分子材料在生活中應用十分廣泛，而高分子科學的基本理論可以解釋和解決很多常見問題。由於樂在其中，大學四年下來成績一直穩定在第一名，畢業時獲得上海市優秀畢業生稱號。
其中，在大三時他已修完所有課程，遂聯繫美國賓夕法尼亞大學化學系高分子聚合方向的專家維吉爾·佩爾塞克（Virgil Percec）教授，希望能在後者的實驗室進行科研實習。
聚合方向雖然困難重重，卻也是他一直希望能參與的：比如，活性自由基聚合反應動力學的實驗需要嚴格隔絕氧氣，並且每隔 5 到 10 分鐘就需要手動取樣，然後進行一系列分析。
他說：「那幾個月下來雖然每次實驗都焦頭爛額。但是，確實收穫頗多，同時也磨礪了心性，最終這部分工作的論文，在本科畢業後也得以發表。」
後來，當其申請美國博士項目的時候，他決定從本科的化學方向轉到化學工程。目前越來越多的研究都在專註於節能減排技術。但是，如何向學界和公眾清楚地展示技術創新，仍然困擾着科研人員。
他說：「對於大部分科研組來說，他們很少思考如何定量描述化學品生產中溫室氣體排放等環境因素。這也讓我對相關經濟分析和環境分析感到非常新奇。」
「這讓我想到我剛開始使用生命周期評估方法時，接觸到了很多改變自己原來認知的觀點。例如，有關紙袋和塑料袋孰優孰劣的爭論，抑或是目前大量使用糧食作物來製造乙醇燃料是否真的能減少碳排放？以及是否會引發更廣泛的飢餓問題？這使得我慢慢意識到，很多節能減排的技術出發點是好的，但有可能引出並不顯而易見的新問題，而生命周期評估能引導大家更系統全面地思考這些問題，避免無心之過。」羅予勍最後表示。
-End-
參考：
1、O』Dea, R. M., Pranda, P. A., Luo, Y., Amitrano, A., Ebikade, E. O., Gottlieb, E. R., ... & Epps III, T. H. (2022). Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction. Science advances, 8(3), eabj7523.
