生物质资源纳米技术&先进功能材料

第八次全国森林资源调查(2009-2013)结果表明，全国森林覆盖率为21.63%，森林面积为2.08亿公顷，森林蓄积为151.37亿立方米。森林覆盖率远低于全球31%的平均水平。人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，人均森林蓄积只有世界人均的1/7。森林资源总量不足，质量不高。木材产量满足不了国民经济发展的需要，我国每年木材消费量约5亿立方米，年木材供需缺口达2.5亿立方米，这主要靠进口解决。此外，我国非木材生物质资源十分丰富，每年农作物秸秆产量为7.2亿吨，虾、蟹和贝类等壳体水产品废弃物每年在300万吨以上，有的焚烧，有的废弃，对环境产生严重污染。综观我国林木资源和非木生物质资源现状可见，木材供需矛盾突出，非木资源丰富。

运用高新技术和新的加工方法全面提升林木产品质量和高效利用农业、林业和水产品加工的废弃资源是当务之急，是解决木材缺口和农作物秸秆等生物质废弃物对环境危害的主要途径，这将对我国建立节约型社会、实现循环经济发展和生态文明产生积极的影响。这也正是笔者编著《生物质纳米材料与气凝胶》一书的初衷和所期待实现的目标。

▲不同尺度生物模板的遗态转化研究

自然界的生物形态多样，在制备材料时可根据目的材料的要求和用途，选择不同形貌和结构的生物体作为模板材料。图给出了利用不同尺度的生物模板制备的具有相应生物体精细结构的新型无机材料。左列所示为原始生物体结构，右列所示为合成的具有相应生物体结构的无机材料

笔者所在课题组自2007年开始，连续得到国家自然科学基金委员会重点项目(编号：30630052)、面上项目(编号：31270590)和青年科学基金项目(编号:31500468)的资助。在全国林业工程学科同仁的支持下，做了大量的实验，坚持了近十年的预研和立项研究工作，以多种功能化生物质材料与全组分气凝胶制备技术为核心，坚持多学科交叉融合的科学理念，并结合未来的生产应用需求，编写了《生物质纳米材料与气凝胶》一书。其主要特点如下：

1. 研究对象全部为生物质废弃物。书中所介绍实验的原材料全部是废旧木(竹)材加工剩余物、农作物秸秆、虾壳、蟹壳、贝壳、椰子壳、松针、废旧报纸和海藻等数十种多类别的生物质废弃物，为今后这些废弃资源的利用找到了新的途径。
2. 制备技术源于多学科交叉融合。通过多尺度纳米技术、仿生智能化技术、半导体金属氧化物或有机质界面修饰技术和聚合物网络互穿技术等的交叉融合，获得了功能化的纳米材料和生物质中三种天然高分子物质同步转化形成的薄膜、泡沫和气凝胶等系列材料。

▲NFC和NFCH通过干燥技术的二次组装示意图

运用“自上而下”（top-down，即将较大尺寸物质拆解、分散制备小块纳米材料）技术，首先探索有效的方法制备出纳米纤丝化纤维素（NFC）和纳米纤丝化甲壳素（NFCH），进而运用多种二次组装技术，将这些一维纳米纤维作为新的纳米结构单元，利用包括氢键在内的次级键组装成新型具有宏观尺度的不同多级结构材料

3. 聚焦前沿、注重内容的先进性。书中引用了国外滚球体育 发达国家诸多研究者的大量相关文献资料，并审视其研究内容的先进性、前瞻性和实践性；注意运用多学科的科学理论与先进的分析表征方法及具体制备技术相结合。

▲材料合成示意图

本书的整体思路是通过“自上而下”和“自下而上”的加工方法，将天然高分子制备成多种新型多孔材料，在此基础上与无机氧化物纳米材料进行多种方式的复合，以期所制备的先进材料在有机化合物的光催化降解和吸附上有突出表现

我们希望本书能够作为一个天然高分子在材料科学的前沿汇总，并刺激材料可持续性发展的研究，特别是加强其在清洁能源和环境中的应用。这将是汇集环境科学家、经济学家、社会科学家、化学家、材料科学家、理论科学家和工程师的高度跨学科的多学科研究法，是一个巨大的挑战。

本书是我国林业工程领域，以木(竹)材等生物质废弃物为原材料制备天然高分子全组分气凝胶的第一部著作。内容广博，学科交叉外延，撰写难度大，限于时间和作者水平，欠妥和疏漏之处在所难免，恳请读者不吝赐教，谨致谢忱！

本文摘编自卢芸、李坚等著《生物质纳米材料与气凝胶》一书“前言”，有改动，文中插图、栏目文字来源于正文。

《生物质纳米材料与气凝胶》结合作者近年来的研究成果及国际上的前沿研究成果，详细阐述了天然结构高分子气凝胶的制备工艺、形成机理与功能化后的应用。全书内容包括：生物体结构组织中高分子的种类、研究进展及应用前景；海洋和陆地生物质资源分布概况；生物质结构的构造学特征和干燥工艺；纤维素的物化性质、化学结构、纤维素溶剂和纤维素气凝胶等功能材料的制备方法及性能；木质素与木质纤维素的化学性质、化学结构、木质纤维素溶剂和木质纤维素气凝胶的制备方法、性能、组装理论和应用前景；甲壳素的物化性质、化学结构、甲壳素溶剂和甲壳素气凝胶等功能材料的制备工艺；天然结构高分子气凝胶功能化后的新型功能材料的制备与应用。

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