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走向绿色未来:激光技术可以将纤维素转化为生物燃料

来源:江苏激光联盟2020-06-30 我要评论(0 )   

科学家采用近红外和中红外自由电子激光直接从纤维素聚集体中获得葡萄糖和低分子量糖类的绿色方法。红外自由电子激光是一种基于同步辐射的皮秒脉冲激光器,其振荡波长可...

科学家采用近红外和中红外自由电子激光直接从纤维素聚集体中获得葡萄糖和低分子量糖类的绿色方法。红外自由电子激光是一种基于同步辐射的皮秒脉冲激光器,其振荡波长可在3至10 μm之间调谐。电喷雾电离质谱分析显示,葡萄糖(203 Da)、纤维二糖(365 Da)、三糖(527 Da)和四糖(689 Da)的质量峰被清晰地检测到,在粉末纤维素被红外自由电子激光连续照射至9.1微米(ν°C–O)之后的7.2微米(δH–C–O)或3之后,可溶性部分中的每个钠离子加合物都被检测到如质谱分析所示,这些糖的产量高于在9.1微米下通过单次辐射获得的产量。本文提出的激光辐照系统基于振动模式选择性多光子吸收反应,并且不需要助溶剂并且不需要高温和高压来发挥辐照效果。在当前的实验室规模下,一天的操作可以处理数百毫克的固体纤维素样品。

随着气候危机迫在眉睫的威胁笼罩着我们,开发化石燃料的高效替代品变得至关重要。一种选择是使用被称为生物燃料的清洁燃料,这种燃料可以从自然资源如生物质中生产。植物基聚合物纤维素是全球最丰富的生物质形式,可转化为葡萄糖和木糖等原料,用于生产生物乙醇(一种生物燃料)。但是这一过程具有挑战性,因为分子的刚性和致密结构使其不溶于水。全球的化学家和生物技术学家已经使用传统的技术,如微波辐射、水解和超声波处理来降解这种聚合物,但是这些过程需要极端的条件,因此是不可持续的。

图1. 将纤维素有效降解为有用产品的新型激光策略。图片来源:东京科技大学

为此,日本的一个研究团队在《能源与燃料》上发表了一项新的研究,其中包括川崎隆保博士(东京科技大学),陈海顺博士(京都大学高级能源研究所),早川康史教授(日本大学量子科学研究所电子束研究与应用实验室),立命馆大学高级研究中心的大田俊明教授和东京科技大学的筑山浩一教授开发了一种新的纤维素降解技术。该技术基于一种称为无红外电子激光器(IR-FEL)的激光器,其波长在3至20μm的范围内可调。这种新方法是用于纤维素零排放降解的有前途的绿色技术。川崎博士表示IR-FEL的独特之处之一是它可以诱导分子吸收多光子并可以改变物质的结构。到目前为止,该这项技术已经应用于物理、化学和医学基本领域,但我们希望用它来推动环境技术的进步。

科学家们知道红外自由电子激光可以用来对各种生物分子进行解离反应。纤维素是一种生物聚合物,由碳、氧和氢分子组成,它们彼此形成不同长度和角度的共价键。该聚合物具有波长为9.1、7.2和3.5微米的三个红外波段,分别对应于三种不同的键:碳氧拉伸模式、氢氧弯曲模式和碳氢拉伸模式。基于此,科学家们通过将红外自由电子激光的波长调至这三个波长来照射粉状纤维素。

图2. 非辐射的ESI-MS谱图(a),在7.2μm之后以9.1μm进行连续照射(b),在3.5μm之后以9.1μm进行连续照射(c)。绿色数字表示单糖、二糖、三糖和四糖,按降序排列。

激光照射之前(a)和在3.5微米之后在9.1进行激光照射之后(b)的纤维素原纤维的SEM图像。

显然,与没有辐照的情况相比,辐照后检测到许多峰,这表明这些辐照导致纤维素聚集体的结构断裂。有趣的是,在辐照后的两个曲线中,在203.0、263.1、365.1、425.1、527.2、587.2和689.2处检测到质量峰,伴随着每种脱水产物(18 Da),而在非辐照样品中未检测到这些质量峰。因此,通过激光照射,除了单糖和二糖,寡聚糖也从纤维素聚集体中获得。

接下来,科学家通过质谱分析法估计了纤维二糖和葡萄糖的产率。悬浮在水中的纤维素粉末的可溶性部分在液相色谱柱中洗脱(如下图所示)。与未辐照(黑色)相比,在9.1μm(红色)单次辐照的情况下,纤维二糖(左)和葡萄糖(右)的离子峰均明显被检测到。有趣的是,在3.5μm(紫色)之后的9.1μm和7.2μm(绿色)下的9.1μm连续辐照提供了更多的纤维二糖,而在3.5μm以下的辐照对于产生葡萄糖最有效。

图3. 激光照射前(黑色)和照射后9.1微米(红色)、9.1微米继7.2微米(绿色)、9.1微米继3.5微米(紫色)和3.0微米(蓝色)的纤维二糖(左侧)和葡萄糖(右侧)的质谱图。每个质量峰检测为钠离子加合物,纤维二糖为365 Da,葡萄糖为203 Da。

川崎博士表示是世界上第一种通过红外自由电子激光从纤维素中有效获取葡萄糖的方法。因为这种方法不需要苛刻的反应条件,如有害的有机溶剂、高温和高压,所以它优于其他常规方法。

这种激光系统可以在室温和大气条件下工作,不需要助溶剂。可以预期,红外自由电子激光的使用有助于从碳水化合物生物质生产葡萄糖的绿色工艺。此外,川崎博士乐观地认为,他们的方法不仅对加工有用纤维素而且还包括其他木材成分,可以证明是回收森林生物质的创新方法。他们希望这项研究将有助于“无石油”社会的发展。


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