生物質基功能材料研究進展及發展趨勢
文章來源：新能源網 更新時間：2025-04-27 15:55:34
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近年來，隨著人類社會不斷向前發展，對資源和能源的消耗顯著增大，特別是化石資源的不斷開采和消耗，導致了一系列制約人類社會可持續發展的難題，如環境污染、能源短缺和資源危機等。因此，推進綠色可再生生物質資源的高值化利用對于人類社會的健康可持續發展至關重要。木質纖維素類生物質作為地球上最重要的可再生資源之一，具有來源廣、成本低、環境友好、含碳量高等特點，其作為一種化石資源潛在的替代品，在先進功能材料、化學品原料、化工助劑等領域應用潛力巨大，如新型碳基催化劑和能源儲存材料、功能高分子復合材料、表面活性劑等。特別是，在生物加工工藝和生物催化技術不斷進步的推動下，木質素纖維素類生物基功能材料的研究和創制呈現急劇增長之勢。本文對以木質纖維素為典型代表的生物質資源的高值化利用的最新研究進展進行了總結，并對其未來的發展趨勢進行了展望，同時指出了其在基礎研究和實際應用方面所面臨的問題與挑戰。
木質纖維素是自然界最豐富的可再生生物質資源，主要來源于造紙工業廢棄物、農業生產廢棄物、木材加工廢棄物等，由纖維素、半纖維素及木質素三部分構成。其中，木質素是一種無定形的、具有三維網狀芳環結構的聚合物，兼具剛性與化學穩定性。同時，其所含的多種活性官能團為改性處理提供了條件，可實現性能的精準調控。纖維素由葡萄糖單元以β-1,4糖苷鍵線性相連而形成，具有良好的結構穩定性。分子間的氫鍵使纖維素中形成了結晶區域和無定型區域，前者呈規整晶格網絡，提供了強度支撐；后者松散無序，為其化學改性、功能化修飾提供了豐富的活性位點。木質纖維素具備可降解、易改性、生物兼容性好、綠色環保等多重優點，利用其制備的功能材料在包裝、醫療、能源儲存等諸多領域展現出廣闊的應用前景。 一、纖維素基功能材料 纖維素是地球上儲量最豐富的天然聚合物，具有力學性能優異、易加工改性、生物相容性好等優勢，適用于制備各種高性能和多功能的纖維素基材料，可用于重金屬吸附、柔性電子器件、生物醫用材料等多個領域。 （一）纖維素用于膜材料 傳統膜材料分解出的微塑料容易進入人體并積累，威脅身體機能。因此，可生物降解的環保纖維素膜引起了科研工作者們的廣泛關注。纖維素膜以纖維素為主要原料制備而成，繼承了纖維素透氣、透濕等諸多優異特性，在超濾、食品保鮮、包裝膜等領域具有巨大應用潛力，有望取代傳統的石油基膜。福建農林大學黃六蓮團隊（2018）報道了一種新型纖維素復合納濾膜，該團隊以竹纖維素膜為原始基膜，通過調控海藻酸鈉、羧甲基纖維素復合涂膜液與環氧氯丙烷交聯條件，使復合膜對NaCl截留率從1.52%提至48.15%，膜通量從487.81 L/（m²·h）降至13.75 L/（m²·h），在水資源處理領域表現出高應用價值。然而，纖維素的高結晶度使其通常難溶于各類溶劑，降低了纖維素膜的制備效率，增加了其成本。研究發現，對纖維素進行改性處理是提升其溶解度的有效方法。天津工業大學尹翠玉團隊（2021）通過對堿纖維素酯化處理縮短了其在LiCl/N,N-二甲基乙酰胺中的溶解時間，進而制備了一種纖維素基再生膜，其抗污率高達 94.1%，水汽阻隔性能接近PE保鮮膜，為食品的綠色包裝提供了新的解決方案。近年來，應用場景的多元化和對多功能材料的需求推動了疏水性薄膜的發展。東華大學丁彬團隊（2020）通過熱處理浸漬得到了高疏水性的醋酸纖維素，并利用其開發了一種高效、可生物降解的防水薄膜。疏水的內表面與規整的幾何孔隙賦予了薄膜優異的疏水性能，可滿足在復雜環境下的疏水需求。 盡管纖維素在制備膜材料方面具有顯著優勢和廣闊應用前景，但仍面臨一些挑戰：一方面，其制備過程依賴于昂貴的溶劑，并且溶劑回收困難，增加了生產成本與環境壓力；另一方面，纖維素膜的機械性能較低，難以滿足工業過濾、高強度包裝等對強度要求較高領域的應用需求。未來，應持續推動新型綠色溶劑體系的開發，解決纖維素溶解難題；同時，依托分子設計與復合技術，著力提升纖維素膜的機械性能，滿足多元應用場景需求。 （二）纖維素用于能源儲存材料 由于化石燃料的持續消耗、電動汽車的快速增長以及對環境保護的日益緊迫，迫切需要開發綠色和可再生能源材料以減輕環境和資源壓力。纖維素具有超大的比表面積，能夠高效地吸附、儲存能量相關的物質。此外，纖維之間相互交織纏繞，自然構建出利于離子與電子傳導的多孔構造。基于這些獨特優勢，纖維素基功能材料可以作為能源存儲器件中的各種關鍵組分，如隔膜、固體電解質、黏結劑和活性材料，在能源存儲領域展現出廣闊的應用前景。中國科學院曹安民團隊（2024）開發了一種將惰性纖維素轉化為離子傳導固體電解質的綠色工藝。纖維素鏈之間的氫鍵網絡和鋰離子（Li+）多氧配位點組成的多重網絡表現出良好的機械強度和快速的Li+運動，使電解質兼具高離子電導率和高強度特點。纖維素基膜具有優異的機械柔性，在材料的加工、成型以及實際應用過程中，能夠適應各種復雜的形變需求，確保能源存儲器件在不同工況下穩定運行。美國華盛頓大學Anthony B. Dichiara團隊（2022）合成了具有可控電荷密度的氧化纖維素納米原纖維，并與聚（偏二氟乙烯）納米顆粒復合，得到了柔性介電薄膜。通過將水溶性絕緣聚乙烯醇（PVA）層涂覆在薄膜的外表面，形成層壓復合材料結構，限制了薄膜中的移動電荷并有效增強了其耐高壓性、擊穿強度和儲能能力。在鋰離子電池領域，快速充電技術的發展正面臨瓶頸。Li+的固相擴散及其通過固體電解質界面（SEI）膜的傳導被認為是快速充電的主要障礙，而Li+在活性材料中的嵌入和擴散速率依賴于SEI膜中局部Li+濃度。纖維素的多活性位點絡合效應為此提供了新的解決策略。韓國大邱慶北科學技術學院Yong Min Lee團隊（2024）報道了一項采用不同堿金屬離子取代的羧甲基纖維素作為鋰離子金屬電池陽極黏結劑的創新研究，該研究發現黏結劑陽離子由K+變為Li+時，促使了Li+-碳酸乙烯酯（EC）配位絡合物在界面處的濃度增加，從而提高了插層驅動力、擴散系數和充電速率，并證明電解液與黏結劑間的相互作用促進了Li+從溶劑化的Li+-EC 絡合物中脫溶劑的步驟，有助于實現鋰離子電池的快速充電。 纖維素在能源存儲領域展現出極大應用潛力，但要實現廣泛且高效的應用，仍存在電導率欠佳且能量密度較低等問題。因此，未來需著力在兩個關鍵方向進行探索突破：一方面，強化與高導電材料的復合技術研究，構建更為高效的電子傳輸體系；另一方面，深入開展微觀結構精準調控設計工作，增加能量存儲的活性位點，推動纖維素在能源存儲領域邁向新高度。 （三）纖維素用于水凝膠材料 水凝膠是一類高度交聯的親水性高聚物，獨特的結構使其具有良好的韌性、保濕性和生物相容性，在組織工程支架、填充材料、傷口敷料等領域應用廣泛。隨著環保理念的普及，水凝膠材料的研究逐漸聚焦于無污染、可自然降解且可循環再生的天然聚合物。其中，纖維素中豐富的羥基官能團使其可以與水凝膠基體產生良好的分子親和效應，實現性能多重疊加和協同增強效果，從而賦予其更多優異特性。傳統水凝膠缺乏有效的能量耗散機制，導致其機械強度通常較差，而纖維素中豐富的氫鍵供體可為構建密集的動態相互作用提供基礎，有效彌補這一不足。華南農業大學禹筱元團隊（2024）采用環氧大豆油和纖維素分別作為化學、物理交聯劑，制備了全生物基雙交聯結構水凝膠。纖維素鏈之間氫鍵和鏈的纏結可以有效分散應力，賦予了水凝膠優異的機械性能。此外，中國林業科學研究院劉鶴團隊（2024）提出了一種通過鹽析效應實現的自組裝策略，將纖維素納米纖維（CNF）引入超分子網絡中，借助CNF的導向作用和鹽析引發的鏈聚集效應，使水凝膠在拉伸過程中形成高取向結構，從而實現超高的斷裂應變和拉伸強度。相比傳統的各向異性水凝膠，該研究制備的水凝膠在各方向上均展現出均一的機械性能，且加工簡單，具備量產和復雜成型的潛力。然而，纖維素的吸水性容易導致水凝膠表面缺失水分，失去附著力。西南林業大學杜官本團隊（2024）創新性地提出解決方案。他們通過氧化得到雙醛纖維素（DAC），減少了纖維素的吸水率，并采用DAC制備了含希夫堿的雙網絡水凝膠，增加了結合水的含量。該策略實現了水凝膠的長期粘附，為開發下一代柔性傳感器提供了機會。 目前，纖維素基水凝膠的開發已經取得了巨大進展，但其內部結構與宏觀性能之間的關聯尚未完全明晰，極端環境下維持其性能穩定的有效方法還有待探索。因此，未來應持續創新多學科交叉融合的研究手段，深入剖析纖維素基水凝膠結構與性能的內在聯系，為其精準調控提供堅實理論基礎。 二、木質素基功能材料 木質素是木質纖維素的另一關鍵組分，其儲量僅次于纖維素，具有極大的利用價值。將木質素轉化為高值化的功能材料（燃料、化學品、功能助劑等），是實現其資源高效利用的關鍵途徑。 （一）木質素基碳功能材料 在碳材料的前沿探索中，木質素因其獨有的結構特性，在催化、儲能領域極具應用潛能，是開發碳材料的理想前驅體。這得益于其具備的兩大優勢：一是較高的碳含量和豐富的功能性官能團；二是在溶液中良好的可塑性，借助先進工藝手段，可從一維、二維和三維層面精準調控其形貌與內部結構。基于此，研究者們聚焦于木質素微納結構的定向調控，旨在開發高性能的木質素碳基功能材料。日本信州大學Y. A. Kim團隊（2006）創新性地借助靜電紡絲技術與PEO軟模板劑，成功將有機溶劑木質素制成了木質素基碳納米纖維。廣東工業大學邱學青團隊（2020）報道了一種綠色簡便的原位碳化技術，以木質素磺酸鈉為碳源，利用乙醇/水混合溶劑誘導木質素與活化劑層層組裝，進一步通過草酸鋅的氣相剝離和原位模板功能，將木質素架構減薄并造孔，成功制備出具有類二維納米片層木質素多孔碳。該碳納米片具有高比表面積、互穿的多孔網絡結構和高電導率，有望應用于儲能和催化領域。廣州大學彭鋒團隊（2019）采用堿木質素為原料，利用ZnCl2/NaCl活化策略，成功開發出具有高達1289 m2·g-1比表面積和2.80 cm3·g-1孔體積的N、S、Cl共摻雜木質素三維多孔碳。由此可見，木質素碳的微觀形貌和孔道結構可調控性強，易實現高比表面積且化學性質穩定。 木質素在碳材料的可控制備上具有獨特優勢，但要實現其高附加值應用仍面臨諸多挑戰：木質素分子結構復雜，團聚嚴重；其與活性組分前驅體間相互作用力較弱，復合物結構穩定性不足；木質素原料純度低，應用性能難以復現。因此，未來仍需加強對木質素分子結構調控技術的創新研究，進一步完善木質素的可控制備理論，以期充分利用其三維交聯結構和官能團豐富等優勢制備高性能的木質素碳基功能材料。 （二）木質素/無機氧化物復合功能材料 木質素具有良好的柔韌性、穩定性、易加工等聚合物材料的特點。而無機氧化物（Al2O3、ZnO、TiO2等）以強度高、剛性大著稱。將二者有效復合，可制備出兼具兩者結構特性的新型復合功能材料。木質素中含有豐富的苯環、羰基和羥基官能團，為其與無機氧化物前體的充分復合提供了充足的反應位點，可制備結構規則、形貌具備可調節性、界面相互作用強的木質素/無機氧化物復合顆粒。廣東工業大學邱學青團隊對木質素/無機氧化物復合材料的制備工藝及其應用進行了深入研究。2015年5月，該團隊將堿木質素進行磷酸化修飾，隨后通過其與SiO2的氫鍵作用，成功獲得了具有規整結構和良好分散性的木質素/SiO2復合顆粒；2017年6月將堿木質素進行季銨化修飾，基于其與SiO2的靜電作用再次獲得了均勻的木質素/SiO2復合顆；同年9月借助一步水熱法成功制備了微觀形貌可控的木質素/ZnO復合顆粒；2021年4月以季銨化修飾的木質素及鈦酸丁酯為原材料，采用溶膠凝膠法在低溫環境下獲得了木質素負載量高的木質素/TiO2復合顆粒。 當前，木質素/無機氧化物復合材料備受關注，其制備工藝持續創新，從早期的物理共混發展到現在精準調控兩者間作用力的“規則組裝”，所制備的復合材料在催化、儲能等領域均展現出巨大的應用潛力和可觀的經濟價值。然而，現階段仍存在木質素分散性差、復合材料尺寸難均一，復合效率較低等問題。未來的研究仍應致力于創新木質素微結構可控調控工藝，深化二者相互作用機制研究，以制備形貌規整可控、結構穩定的木質素/無機氧化物功能材料。 （三）木質素基高分子復合功能材料 高分子材料在現代社會應用廣泛，地位重要。但大規模使用后，其難降解的弊端加劇了環境污染。因此，其發展路徑逐漸聚焦于綠色化、功能化以及高性能化。木質素資源豐富、可循環再生，且具備抗紫外、抗老化及光熱功能，為研發兼具高性能和多功能特點的木質素基高分子材料提供了有力支撐。然而，木質素分子結構復雜多樣，自聚集嚴重，與材料相容性差，在實際應用中極具挑戰性。為解決這一難題，人們聚焦于其與高分子材料的界面調控，旨在實現二者界面的有效融合。廣東工業大學易國斌團隊（2024）報道了一種通過多重動態鍵有效耦合柔性基質與剛性木質素的設計策略，并成功制備了高強度、室溫自修復及具有優異光熱性能的木質素基聚氨酯彈性體，并表現出在能源轉化領域的應用潛力。廣東工業大學邱學青團隊（2021）將木質素與三元乙丙橡膠作原料，提出將動態配位鍵與機械訓練相結合，構建高性能的新型人工肌肉材料，這一創新為智能驅動領域提供了新的材料選擇。此外，江南大學任學宏團隊（2022）利用木質素與PVA豐富的羥基之間形成強氫鍵作用，構建了一種具有穩定交聯網絡的復合薄膜，在食品包裝、生物醫藥領域中表現出應用潛力。 木質素基高分子復合材料在能源轉化、食品包裝、生物醫藥等多個領域均有廣泛的應用前景，但木質素分子結構復雜，其復合材料界面調控難，綜合使用性能欠佳，距離規模化生產仍有一定距離。因此，未來仍需深化其與高分子材料相互作用的本質機理研究，創新界面調控工藝，以推動木質素在該領域的資源化利用。 三、結語 隨著人口的快速增長和社會的不斷發展，人類對能源和資源的需求劇增，化石資源的消耗日益增加，引發并加劇了各種環境和氣候問題。為實現人類社會的持續發展，綠色可循環的發展模式已成為必然選擇。開發綠色可再生生物質資源的高值利用，部分替代化學資源的消耗將是一條可行的路徑。生物質基功能材料是生物質資源高值化利用的關鍵一環，其發展與國家“碳達峰、碳中和”目標高度契合，并且已有不少產品走向市場。目前生物質基功能材料高值化利用還處于起步階段，未來仍有許多基礎科學和關鍵工程技術難題需要逐個攻克，比如生物質資源的分子結構和納微結構特性調控機理、應用性能與微結構特性之間的內在關系、工程放大效應等問題。未來，隨著對上述難題的攻克，生物質基功能材料有望在更多領域實現突破，為各行業的綠色轉型注入新的活力，持續推動人類社會向可持續發展的目標邁進。 來源：黃志逸 王歡（廣州大學化學化工學院）/文，首發刊載于《科技中國》2025年第3期 前沿科技欄目 |
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