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在日益嚴峻的環(huán)境問題與化石資源枯竭的背景下,木質(zhì)纖維素生物質(zhì)因其可再生性、經(jīng)濟性和可持續(xù)性受到廣泛關注。作為重要糧食作物,小麥秸稈是木質(zhì)纖維素最豐富的來源之一。但大量秸稈被直接焚燒,不僅造成纖維資源浪費,更導致生態(tài)環(huán)境污染。通過高效分離小麥秸稈三大組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)并將其轉化為高值化學品或功能材料,可顯著提升廢棄生物質(zhì)價值。然而,木質(zhì)纖維素固有的結構抗性嚴重阻礙了其組分分離與高值化利用。目前發(fā)展的物理法、有機溶劑法和水熱法等分離技術,普遍存在有害試劑使用、高能耗或高成本等問題,且部分工藝因半纖維素或木質(zhì)素降解導致分離效率低下。尤其是結構復雜多變的木質(zhì)素,其性質(zhì)高度依賴提取方法,至今尚未實現(xiàn)高值化利用的重大突破。這迫切要求開發(fā)綠色高效的廢棄生物質(zhì)組分分離與利用新工藝。
低共熔溶劑(DES)憑借對木質(zhì)素的選擇性溶解優(yōu)勢,成為替代離子液體的新型生物質(zhì)分離介質(zhì)。其由氫鍵受體(HBA)與氫鍵供體(HBD)通過氫鍵或范德華力作用形成均相透明液體,熔點顯著低于單一組分。DES的突出優(yōu)勢在于其可調(diào)節(jié)的理化性質(zhì),能滿足不同應用場景需求。在眾多DES體系中,羧酸類DES對木質(zhì)素的提取效果尤為顯著,其中膽堿(ChCl)-乳酸(LA)體系因優(yōu)異的木質(zhì)素溶解性能被公認為最有效的DES之一。例如,ChCl-LA在60°C條件下可溶解11.82 wt%木質(zhì)素,同時保持纖維素結構完整;采用該體系對硬木和軟木的木質(zhì)素提取率分別達78.5%和58.2%。然而,現(xiàn)有研究多聚焦于工藝優(yōu)化,對分離后纖維素纖維與再生木質(zhì)素的結構表征及其高值化利用關注不足。 值得關注的是,DES處理富集的纖維素仍保留本征特性,這為微納米纖維素材料制備奠定了基礎,使其在納米材料、酒精傳感、柔性體溫管理等領域具有應用潛力。而DES提取的木質(zhì)素具有低縮合度、豐富羥基、優(yōu)異熱穩(wěn)定性和機械性能等優(yōu)勢,可轉化為碳纖維、膠粘劑等功能材料,推動生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟。但木質(zhì)素固有的結構復雜性導致再生衍生物性能不均一,制約其工業(yè)化應用。目前,關于DES木質(zhì)素與纖維素固相組分復合材料的結構-應用關系研究仍屬空白,且DES回收體系尚未完善,高昂的處理成本阻礙了規(guī)模化應用。 西南科技大學Binshen Wang團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了木質(zhì)素-DES溶液直接制備全生物質(zhì)基材料的新策略,規(guī)避了傳統(tǒng)方法中木質(zhì)素再生與溶劑回收步驟。DES通過與纖維素和木質(zhì)素形成氫鍵網(wǎng)絡,同步破壞纖維素分子內(nèi)/間氫鍵,實現(xiàn)了基于氫鍵解構-重組機制的全生物質(zhì)材料構建。進一步通過DES再生成功分離微納米纖維素與木質(zhì)素,將其與酚醛基質(zhì)復合顯著提升了生物質(zhì)膜材料的紫外吸收性能。該研究不僅實現(xiàn)了DES-木質(zhì)素-纖維素的協(xié)同高值化,更為先進材料設計提供了新范式,為開發(fā)高性能全生物質(zhì)基復合材料奠定基礎。 |