第1章 绪论
1.1 资源、能源和环境
资源、能源和环境是人类生存和发展的基本条件。自18世纪中叶第一次工业革命以来，近三百年的工业文明以人类征服自然为主要特征，世界工业化的发展使征服自然的文化达到极致。然而，伴随着工业文明的发展，资源、能源和环境问题日渐突出。以石油资源为代表的不可再生能源的过度消耗不仅引起了能源短缺危机，同时消耗过程所释放的油气挥发物与其他气体也引起了一系列的环境问题，如气候变暖、酸雨加剧、臭氧层空洞等[1-3]。据世界气象组织(WMO)发布的《2020年全球气候状况》报告，2020年是有记录以来三个最暖年份之一。全球平均温度比工业化前(1850～1900年)水平约高1.2℃。自2015年以来的六年是有记录以来最暖的，2011～2020年是有记录以来最暖的十年。此外，据欧盟哥白尼大气监测局(CAMS)观测，2020年南极洲上空的臭氧层空洞为近年来最大最深的空洞之一，其面积达到2400万km2。空洞形成后臭氧层对宇宙短波紫外线的吸收就会减弱，短波紫外线辐射则增强，导致人群皮肤癌和白内障等疾病的发病率增加[4]。另外，过量的紫外线辐射对地球上其他动植物也有杀伤作用，例如农作物质量下降[5]、某些物种甚至可能灭绝[6]。这一系列全球生态危机说明地球再没能力支持工业文明的野蛮发展，需要开创一个新的文明形态来延续人类的生存，这就是生态文明。如果说农业文明是“黄色文明”，工业文明是“黑色文明”，那生态文明就是“绿色文明”。以绿色为核心的生态文明建设不仅关系着资源、能源和环境的可持续发展，更成为维持社会稳定和谐大局的重大举措。
大力开发绿色可再生能源以取代非环保的不可再生能源是生态文明建设中至关重要的一环。生物质是地球上最丰富的可再生资源，全球每年形成的生物质达1800亿t，相当于3×1021 J的能量，为全球实际能源消费的10～20倍。在理想状态下，地球上的生物质潜力可达到实际能源消费的180～200倍[7]。因此，生物质能被广泛认为是具备大规模发展潜力的可再生能源。近年来，生物质资源的有效利用和生物质能的开发得到了国内外政府的高度重视。美国政府对于生物质发展的立法支持始于20世纪70年代，经历过四次立法高峰期(1978年、1992年、2000年和2005年)。当前，美国形成了以《国家能源法》(1978年)、《国家能源政策法》(1992年)、《生物质研究开发法案》(2000年)和《2005国家能源政策法》为核心的法律框架以激励生物质的开发和利用[8， 9]。另外，美国能源部还制定了美国生物质能源路线图。欧盟是最早制定可再生能源量化目标的经济体，其针对生物质的开发和利用发布了一系列政策法令，如《欧盟可再生能源发电法令(2001)》《欧盟交通生物质燃料法令(2003)》《欧盟生物质能行动计划(2006)》等[10]。德国、西班牙等欧盟成员国也积极建立生物质技术研发、投资、生产和消费的政策体系框架。我国虽然针对生物质的开发和利用起步晚，且较美国、欧盟差距较大，但我国生物质开发利用在政策的支持下近年来实现快速发展。我国的生物质利用政策是在能源战略的大背景下制定的。新中国成立至今，中国的生物质利用政策从无到有、从单一到综合、从局部到整体经历了四个阶段的发展演变[11]，如表1-1所示。我国早期的生物质利用政策(1949～1978年)一直在“改善农村能源”的观念和框架下运作，起步于农村户用沼气，并在秸秆气化上进行了试点。从20世纪80年代开始，随着改革开放的不断深化和中国经济的迅速发展，能源需求持续增长，中国政府十分重视能源发展，生物质利用政策在“改善农村能源”思路下，开始向“开发生物质能源”转变(1979～1992年)。1979年，国务院批转国家经贸委、国家科委、国家农委、农业部《关于当前农村沼气建设中几个问题的报告》。1985年，农村可再生能源技术开发列入国家计委“七五”科技攻关项目计划。从1993年起，中国由石油净出口国转变为净进口国。同时，随着可持续发展理念深入人心，人们关注的焦点转向能源的可持续问题和能源安全问题，许多国家都把可再生能源作为能源政策的基础，力图建立以可再生能源为基础的可持续发展能源系统(1993～1999年)。因此，中国生物质利用政策也由研究开发为主转向实际生产应用为主。从“九五”计划开始，连续在五个五年规划中将生物质能源开发利用列入我国能源发展战略中。同时，出台了《新能源和可再生能源发展纲要(1996—2010)》等可再生能源支持政策。从21世纪开始，在能源安全问题和全球气候变化问题双重背景下，中国生物质利用政策发生了重大转向。由于生物质具有碳中性的特点，其生产利用不会增加CO2的排放，因此扩大生物质的利用和生物质能的发展成为减排CO2最主要的途径，利用农、林、工业残余物以及大规模植树造林、种植生物质资源，成为生物质资源可循环利用的首要选择。中国政府先后发布了《可再生能源法》(2005年)、《可再生能源中长期发展规划》(2007年)、《生物质能发展“十二五”规划》(2012年)、《中国制造2025》(2015年)、《生物质能发展“十三五”规划》(2016年)、《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》(2020年)等。2020年，国家发展改革委、自然资源部近日联合印发了《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》(以下简称《规划》)。这是党的十九大以来，国家层面出台的第一个生态保护和修复领域综合性规划。《规划》的提出积极推动了生物质能源特色产业的发展。
表1-1 1979～2020年中国生物质利用主要政策
我国的生物质资源主要来自农林产业，包括农作物、树木、海藻等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等。在我国，以农作物秸秆为例，每年产生超过10亿t秸秆类生物质，这类本应成为宝贵资源的生物质目前除部分被有效利用外，其余普遍被焚烧或经过自然降解而被消耗[12]。季节性焚烧农作物秸秆已成为独有的一道“风景线”，这种状况不仅造成巨大资源浪费，而且产生的大量二氧化碳及甲烷等温室气体会对环境造成恶劣影响。因此，根据我国现存的生物质资源状况及技术水平，生物质资源的开发应主要以利用农林业生产中所产出的有机废弃物为主。生物质资源在能源领域的利用方式主要分为两种。第一种是通过热化学、生物化学等生物炼制技术生产出固、液、气等高品质能源来代替化石燃料，为人类生产和生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品。生物炼制已被设想作为新型生物产业的基础。通过开发新的化学、生物和机械技术，生物炼制可大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段[13， 14]。美国国家再生能源实验室(NREL)将生物炼制定义为以生物质为原料，将生物质转化工艺和设备相结合，用来生产燃料、电热能和化学产品集成的技术。生物质资源第二种利用方式是基于纳米科学、分子化学、材料化学等新兴科学和技术实现生物质资源在微纳米不同尺度下的精确拆解和重组，创制具有突破性能量存储或转化功能的电极、电解质和器件(如超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、锌空气电池等)[15-17]，以提高能源的利用效率和降低传统的非环保器件所带的环境污染。由于以木材为代表的生物质原料具有各向异性的分级多尺度结构[18]，同时在化学成分上植物细胞壁又普遍是由纤维素、半纤维素和木质素三种核心成分彼此相互包埋而形成的，因此为了实现木材等生物质资源在能量存储或转化器件领域的高效应用，往往需要在分子层面进行成分的有效剥离和系统鉴定，并瞄准器件特定的电化学反应机制来进行相应的化学修饰和结构调控。本书聚焦生物质资源的“材料化”利用(即第二方式)，以新兴储能器件——超级电容器为核心应用方向，从“自上而下”(减材制造，从宏观到微观)和“自下而上”(增材制造，从微观到宏观)两个角度介绍生物质资源的典型利用方式，并运用先进的波谱分析手段和结构观测技术以及模拟计算方法，剖析木材、棉花、纸张等原生或再生生物质原料的微观结构和理化性质对精准拆解、定向重组、异质复合和电化学反应等过程的影响机制，归纳生物质资源在超级电容器领域的应用优势和发展方向，旨在为生物质资源在能量存储和转化器件领域的高效、高性能应用奠定科学基础。
1.2 生物质概述
1.2.1 生物质的种类与分布状况
不同生物质在种类和数量上存在着巨大的差异，以及它们的组成特征也显著不同，因此暂时没有统一的分类方法，但是可以根据自身特征和使用目的进行大致分类。
根据起源、功能和终端产物，生物质可以通过以下两种方式进行分类：①根据自然界中存在的形式(基于生态学或植被种类)进行分类；②根据生物质作为原料的使用目的进行分类。
前者是最常用的分类方法，可将生物质分成不同的类别(如表1-2所示)：①木本类生物质；②草本类生物质；③水生类生物质；④动物废弃生物质；⑤混合生物质。不同类型的生物质的典型化学组成见表1-3。
表1-2 根据自然界中存在的形式(基于生态学或植被种类)对生物质进行分类[19]
表1-3 不同类型的生物质的化学组分所占比例范围(质量百分比)[20]
1.2.1.1 木本类生物质
木本类生物质是目前世界上最重要的生物质可再生能源。木本类生物质主要来自于木本类植物生长和生产加工过程中产生的生物质。木本类植物是指根和茎因增粗生长形成大量的木质部，而细胞壁也多数木质化的坚固的植物。木材是木本类生物质最典型的代表，可以通过直接燃烧(或气化)或多种转换过程转化为能量(图1-1)。在超级电容器领域，木材沿其生长方向具有丰富的平行排列的管道结
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