本研究利用微波-DES技术五分钟内实现生物质高效分选，并将所得组分转化为荧光碳量子点和高性能导电水凝胶，打通了生物质全组分绿色高值化路径。
青岛科技大学吉喆副教授开发了一种微波辅助乙醇酸/氯化胆碱低共熔溶剂（DES）预处理技术，在130℃、5分钟内高效脱除杨木中91.71%的木质素并保留95%以上纤维素，得到富含纤维素的残渣和富集木质素-半纤维素的回收DES相（REDES）。REDES用于制备强荧光氮掺杂碳量子点，而纤维素残渣经氧化后转化为分散性优异的含木质素纤维素纳米纤丝（L-CNFs）。将L-CNFs嵌入聚丙烯酰胺-丙烯酸网络并经Fe³⁺交联，制得兼具高机械性能（拉伸强度129.85 kPa，断裂应变1228.58%）、导电性（1.976 S·m⁻¹）、抗疲劳性、抗冻性（-25℃下1.75 S·m⁻¹）及应变响应能力的多功能水凝胶，实现了DES废液的高值化利用，构建了从生物质到功能材料的可持续精炼平台。相关成果以“Efficient fractionation and closed-loop valorization of poplar biomass for construction of lignin-containing cellulose nanofiber reinforced hydrogels and fluorescent carbon quantum dots” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。
01
背景介绍
木质纤维素生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，三者通过复杂的化学作用形成稳定的三维网络结构，导致其难以被高效解构。传统预处理技术（如硫酸盐制浆、有机溶剂处理等）存在反应条件苛刻、能耗高、化学废物排放多、组分价值损失等问题。低共熔溶剂（DES）作为新型绿色溶剂，具有蒸气压低、溶解性好、可回收等优势，但单一 DES 预处理存在反应时间长、生物质利用率低等局限。
微波辐射通过介电极化效应可加速生物质细胞壁破裂，与 DES 协同作用有望提升预处理效率。杨木作为一种纤维素含量高、生长迅速、易工业化加工的生物质原料，具备巨大的精炼潜力。因此，开发微波辅助 DES 预处理技术，实现杨木生物质组分的快速选择性分离与全值化利用，对推动可持续生物精炼产业发展具有重要意义。
02
文章摘要
本研究开发了一种微波辅助乙醇酸（GA）/ 氯化胆碱（ChCl）DES 预处理技术，在温和条件下（130℃，5 min）实现杨木生物质的快速分级，木质素脱除率达 91.71%，同时保留 95% 以上的纤维素完整性。该过程产生两大高值组分流：富含纤维素的残渣与富集木质素 - 半纤维素的回收 DES 相（REDES）。
其中，REDES 通过水热碳化制备氮掺杂碳量子点（N-CQDs），产物具有强荧光性能与规整晶体结构；纤维素残渣经 TEMPO 介导氧化转化为直径 5-15 nm 的含木质素纤维素纳米纤丝（L-CNFs），其表面富含羧基，分散性优异。将 L-CNFs 嵌入聚丙烯酰胺 - 丙烯酸（AM-AA）共聚物网络，并通过 Fe³⁺离子交联，构建的多功能水凝胶展现出卓越的机械性能（拉伸强度 129.85 kPa，断裂应变 1228.58%）、高导电性（1.976 S・m⁻¹）、优异的抗疲劳性（70% 应变下 300 次压缩循环后保留率 54.95%）和抗冻性（-25℃时导电性仍达 1.75 S・m⁻¹），且能实时响应外部刺激与人体运动。该策略不仅解决了 DES 废液处理问题，还将木质素 - 半纤维素衍生物升级为高值产品，构建了连接绿色化学与先进功能材料的规模化可持续生物精炼平台。
03
文章内容
图 4. L-CNFs 表征与水凝胶力学性能分析。图 8. 水凝胶传感器的 wearable 应用。04
总结展望
本研究提出了一种创新的微波辅助 DES 预处理策略，实现了杨木生物质的快速分级与闭环高值化利用：在温和条件下高效分离木质素（脱除率 > 90%）与纤维素（保留率 > 95%），并将纤维素转化为含木质素纤维素纳米纤丝（L-CNFs），木质素 - 半纤维素衍生物转化为氮掺杂碳量子点（N-CQDs）；基于 L-CNFs 构建的抗冻导电水凝胶展现出卓越的机械性能、导电性、抗疲劳性和传感性能，可实现人体运动与生理信号的实时监测。
该技术不仅解决了传统生物质预处理能耗高、污染大、利用率低的问题，还通过闭环设计实现了 “零废弃” 转化，为木质纤维素生物质向高值功能材料（如柔性电子、可穿戴传感器、荧光探针等）的转化提供了全新范式。未来，团队将进一步优化预处理工艺参数，拓展材料在生物医学、环境监测等领域的应用，推动生物质精炼技术的工业化落地。
Jiachen Lv, Xuan Niu, Haoyu Yang, et al. Efficient fractionation and closed-loop valorization of poplar biomass for construction of lignin-containing cellulose nanofiber reinforced hydrogels and fluorescent carbon quantum dots, Chemical Engineering Journal, 2025, 526, 170787.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170787
内容信息
封面：文章插图
来源：Chemical Engineering Journal
本文内容素材仅作为行业信息传递与交流分享，用户请谨慎考虑和独立判断文中任何观点、意见和结论。欢迎参与投稿分享！如有问题，请联系我们：17306882590(微信)，Daria@flink.org.cn。
