近日，我院2020级博士生刘超为第一作者在林产化工领域Top期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=16.744）上发表了题为“Integrated lignocellulosic biorefinery for efficient production of furans and photothermal materials”的文章，针对木质纤维热化学转化过程不可控的科学问题，创新提出了一种半纤维素优先的木质纤维全组分生物炼制策略，实现了木质纤维全组分的可控分级解聚和高效转化，为农林剩余物资源的低碳高值利用提供了一个新的思路。我院林化所蒋剑春院士和王奎研究员，东北林业大学陈志俊教授，美国田纳西大学Arthur J. Ragauskas教授为共同通讯作者。
本研究基于分子间弱相互作用研究，创新构建了熔融盐水合物（LiCl·4H2O）-异丙醇-甲酸可控分级解聚体系，实现半纤维素的优先分离和纤维素、木质素的同步分级解聚，半纤维素、木质素和纤维素分离效率分别达到93.2%, 89.0%和90.5% （图1）。技术经济分析和物料平衡结果显示，全过程碳利用率达到73.3%，每处理100 kg木质纤维素可产生439.3 USD的收入。
图1.木质纤维素全组分分离和转化策略。
另外，结合分子动力学模拟和量子化学计算分析，创新设计了对温度敏感的双相体系LiCl·4H2O/γ-戊内酯，揭示了呋喃化学品（糠醛和5-羟甲基糠醛）在双相体系中选择性演化和稳定化迁移路径，实现温和条件下半纤维素和纤维素同步转化为呋喃化学品，得率较传统蒸煮工艺提高30%以上。分子动力学模拟结果表明，在γ-戊内酯/LiCl·4H2O/=20/10 (g/g)时，由于具有最低的活化自由能差(-35.4kJ/mol)，反应体系可获得最高77.9%的5-羟甲基糠醛和76.2%的糠醛（图2）。
图2.半纤维素和纤维素组分的催化转化。
本研究进一步拓展了木质素解离多酚的高值化应用场景。将异丙醇/甲酸体系中高效氢解得到单酚和二酚含量高达71.2%的木质素解离低聚物，经与Fe3+络合后可100%制备成光热材料，并组装成太阳能光热发电机（图3）。所组装的太阳能发电机表现出优良的温敏性、可控性和循环使用性，经循环5次后，太阳能发电机仍然输出稳定的电压。为低值的天然木质素和工业木质素资源的高值利用提供了新的思路。
图3.木质素氢解和制备光热材料
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139688
