近日，我校生物质材料科学与技术教育部重点实验室于海鹏教授团队与德国哥廷根大学张凯教授团队合作的科研成果被国际著名学术期刊Nature Sustainability报道。报道题为“Scalable production of carboxylated cellulose nanofibres using a green and recyclable solvent”。文章介绍了关于羧基化高长径比纳米纤维素绿色批量化制备的最新研究成果。
随着化石资源的枯竭和对碳中和的要求，迫切需要有效方法将生物质资源转化为高附加值的生物基材料、能源和化学品，这种增值利用对经济可持续发展都具有重要意义。在众多可衍生出的生物基产品中，纳米纤维素以其突出特性受到极大关注。纳米纤维素在自然界的生物体（如木材、竹子、秸秆、纸浆、草）中广泛存在，其分子结构、几何形状、化学特性、物理力学特性和生物学特性都极具特点，也具有潜在的广泛用途。但纳米纤维素的制备不仅对制作方法和制作过程有要求，而且还需要综合考虑试剂成本、工业放大以及环境影响等因素，如果这些问题不能有效解决，则会延滞其工业化生产和应用的发展。
我校于海鹏教授团队长期从事纳米纤维素的制备和功能化应用研究，前期已探索出多种破解生物质抗解聚屏障并高效制备纳米纤维素的科学方法。在该项研究过程中，团队又开发出一种能与经典TEMPO法制备效果相媲美的羧基化纤维素纳米纤丝制备新方法。该方法基于低共熔溶剂原料广泛、易于合成、价格低廉、无污染及可降解的特点，以柠檬酸、氯化胆碱和水为原料，摸索出一种新的溶剂配方，能够温和处理纤维素大分子链间的氢键并实现羧基官能化，再结合高速搅拌机、高频超声波反应器或高压均质机进行纳米纤丝化。这种方法得到的纤维素纳米纤丝在产量和质量上均出乎意料地好，产率高达90.12%，产品几乎均由单根的基原纤丝组成，直径约3纳米，长度可达10微米以上，由此长径比高达2500，羧基含量为1.5 mmol/g，在水溶液中可均匀分散并长期稳定。同时，这些纤丝保留了纤维素的固有结晶度、模量和热稳定性。更为可喜的是，这种方法可制备出浓度高达20wt％的纤维素纳米纤丝产品，这为其储存、运输和使用提供了极大方便。研究还利用500升规模的反应器制备了1吨纤维素纳米纤丝产品，通过制备过程证明了这种方法的规模应用性、经济可行性和环境友好性，为可持续工业化生产提供了理论依据和实践验证。
《Nature Sustainability》同期配文介绍了此项研究成果，期刊高级编辑张尧卿评价道“这项工作打动我之处是在提取纳米纤维素的可持续性方面取得显著进步。配方溶剂可循环利用，可用于规模地和经济地生产具有激动人心的机械和物理特性羧基化纤维素纳米纤丝，这对其实际应用是个喜讯。”
论文链接：https://www-nature-com-443.webvpn.nefu.edu.cn/articles/s41893-024-01267-0
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简报链接：https://www-nature-com-443.webvpn.nefu.edu.cn/articles/s41893-024-01268-z
