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西南科大：利用麥秸中纖維素和木質素制備具有可調機械和光學性能的全生物質材料

文章來源：新能源網更新時間：2025-06-25 15:34:40

在日益嚴峻的環境問題與化石資源枯竭的背景下，木質纖維素生物質因其可再生性、經濟性和可持續性受到廣泛關注。作為重要糧食作物，小麥秸稈是木質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，更導致生態環境污染。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價值。然而，木質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素降解導致分離效率低下。尤其是結構復雜多變的木質素，其性質高度依賴提取方法，至今尚未實現高值化利用的重大突破。這迫切要求開發綠色高效的廢棄生物質組分分離與利用新工藝。

低共熔溶劑（DES）憑借對木質素的選擇性溶解優勢，成為替代離子液體的新型生物質分離介質。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的突出優勢在于其可調節的理化性質，能滿足不同應用場景需求。在眾多DES體系中，羧酸類DES對木質素的提取效果尤為顯著，其中膽堿（ChCl）-乳酸（LA）體系因優異的木質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素提取率分別達78.5%和58.2%。然而，現有研究多聚焦于工藝優化，對分離后纖維素纖維與再生木質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提取的木質素具有低縮合度、豐富羥基、優異熱穩定性和機械性能等優勢，可轉化為碳纖維、膠粘劑等功能材料，推動生物質循環經濟。但木質素固有的結構復雜性導致再生衍生物性能不均一，制約其工業化應用。目前，關于DES木質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模化應用。

西南科技大學Binshen Wang團隊創新性地開發了木質素-DES溶液直接制備全生物質基材料的新策略，規避了傳統方法中木質素再生與溶劑回收步驟。DES通過與纖維素和木質素形成氫鍵網絡，同步破壞纖維素分子內/間氫鍵，實現了基于氫鍵解構-重組機制的全生物質材料構建。進一步通過DES再生成功分離微納米纖維素與木質素，將其與酚醛基質復合顯著提升了生物質膜材料的紫外吸收性能。該研究不僅實現了DES-木質素-纖維素的協同高值化，更為先進材料設計提供了新范式，為開發高性能全生物質基復合材料奠定基礎。

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