纖維素作為一種天然綠色可再生資源,一直受到廣泛關(guān)注,但由于纖維素本身特殊的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),難以溶于常規(guī)溶劑,導(dǎo)致纖維素在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。因此如何將纖維素高效溶解一直是纖維素領(lǐng)域中的重要研究方向。LiCl/DMAC體系,NMMO體系、張麗娜院士等發(fā)明的堿尿體系和離子液體(ILs)等混合溶劑體系在纖維素溶解中得到廣泛應(yīng)用,但是這些溶解體系的溶解條件較為苛刻。
近年來,纖維素溶解研究已發(fā)展為實(shí)現(xiàn)纖維素在室溫下快速溶解。南京林業(yè)大學(xué)蔡旭敏副教授與王飛教授最近發(fā)現(xiàn)四丁基氫氧化銨/二甲基亞砜(TBAH/DMSO)混合溶劑體系可在室溫下實(shí)現(xiàn)纖維素的高效溶解,并提出一種全新的纖維素溶解機(jī)理,即自由基反應(yīng)引發(fā)纖維素在TBAH/DMSO混合溶劑體系中快速溶解,其溶解量與自由基含量成正比例相關(guān)。
圖1. 微晶纖維素在TBAH/DMSO混合溶劑體系中的溶解及其機(jī)理示意圖
圖2. 不同來源的纖維素原料在TBAH/DMSO混合溶劑體系中溶解效果圖
圖3. 纖維素在TBAH/DMSO混合溶劑體系中溶解機(jī)理示意圖,其中?代表自由基進(jìn)攻纖維素還原端,?代表還原端處纖維素鏈打開及纖維素鏈分子間氫鍵遭到破壞
在傳統(tǒng)的溶解體系中的溶解機(jī)理一直認(rèn)為纖維素溶解是由于纖維素羥基結(jié)構(gòu)與溶劑中離子形成氫鍵結(jié)構(gòu),從而破壞纖維素本身分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)纖維素的溶解。這類溶解理論也可以解釋為電子供體?受體配位效應(yīng),即溶劑體系中的陰陽離子可以作為電子供體或電子受體與纖維素羥基結(jié)合。該研究提出纖維素在TBAH/DMSO混合溶劑中的溶解機(jī)理是一種協(xié)同溶解作用,DMSO在強(qiáng)堿如TBAH存在下會產(chǎn)生少量自由基進(jìn)攻纖維素還原端,引發(fā)自由基反應(yīng),導(dǎo)致纖維素有序結(jié)構(gòu)遭到破壞,使纖維素分子間羥基結(jié)構(gòu)暴露在TBAH/DMSO混合溶劑中,進(jìn)而發(fā)生電子供體?受體配位效應(yīng),導(dǎo)致纖維素的溶解。
圖4. 不同條件下的ESR譜圖:藍(lán)色,新鮮配制TBAH/DMSO (WTBAH = 20%); 紅色,相同濃度TBAH/DMSO與自由基捕捉劑DMPO混合溶液
圖5. 不同濃度TBAH/DMSO混合溶劑與DPPH混合后在517nm下的吸收譜圖
研究成果近期發(fā)表于 ACS Sustainable Chemistry & Engineering雜志(DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b04491),第一作者為南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士研究生陳曉同學(xué),通信作者為南京林業(yè)大學(xué)蔡旭敏副教授和王飛教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金(21601087),江蘇省優(yōu)勢學(xué)科(PAPD)和江蘇省品牌專業(yè)(TAPP)的資助。
- 中國科大陳立鋒教授課題組 Adv. Mater.: 設(shè)計(jì)高離子傳導(dǎo)性與高粘結(jié)強(qiáng)度三醋酸纖維素基通用粘結(jié)劑用于高壓鈉離子電池陰極 2025-04-07
- 中國海大田維乾/北林許鳳/青大張利鳴 ACS Nano: 強(qiáng)韌納米纖維素/MXene基離子 - 電子雙導(dǎo)水凝膠膜用于穩(wěn)定鋅負(fù)極 2025-04-02
- 天科大司傳領(lǐng)/朱禮玉/王冠華/徐婷 AM 封面文章: 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化設(shè)計(jì)及調(diào)控策略 2025-03-31