离子液体中竹材溶解机理的振动光谱原位分析与微纳尺度成像研究

Ionic liquids (ILs) have great potential for the biomass transformation of lignocellulose. However, the mechanisms of dissolution and molecular change of lignocellulose in ILs is not clear so far. In this project, micro- and nano-scale infrared (IR) and Raman spectroscopic imaging methods will be used to detect the changes of cellulose, hemicellulose and lignin in molecular structure, distribution and interaction at multiple spatial levels of tissues, cells and supramolecular structures during the dissolution of bamboo in ILs, to explore the dissociation processes of the supramolecular structures formed by cellulose, hemicellulose and lignin in cell walls. In-situ IR and Raman spectroscopy methods, together with two-dimensional correlation spectroscopy, will be employed to monitor the IL cations and anions, cellulose, hemicellulose and lignin during the dissolution of bamboo in ILs. Subsequently, the complete transformation processes of the above components in molecular structure, concentration and interaction can be identified, which should reveal the reasons why IL-processed cellulose, hemicellulose and lignin show different physical and chemical properties. Ultimately, the basic mechanisms of dissolution and molecular change of lignocellulose in ILs will be clarified, which should provide valuable theoretical guides for the developments of IL-based preprocessing methods of lignocellulose. The results will also be helpful to study the preprocessing of wood with ILs, the preprocessing of bamboo with acids and alkalis, etc.

在木质纤维素的生物质转化过程中，离子液体具有广阔的应用前景，但目前对于木质纤维素在离子液体中的溶解机理与主要成分变化历程还缺乏研究。本课题将使用微米和纳米尺度的红外和拉曼光谱成像技术，从竹材组织、细胞、细胞壁超分子结构等多个层面上，研究离子液体中竹材溶解时纤维素、半纤维素和木质素等成分的分子结构、空间位置和相互作用的变化历程，探明离子液体对竹材细胞壁纤维素-半纤维素-木质素超分子复合结构的破坏过程；还将使用红外和拉曼光谱原位分析技术，结合二维相关光谱法，对竹材溶解过程中离子液体、纤维素、半纤维素和木质素等成分进行跟踪，研究这些成分的分子结构、含量以及相互作用的变化历程，揭示离子液体处理前后纤维素、半纤维素和木质素理化性质的变化原因。本课题将初步阐明竹材在离子液体中的溶解机理与主要成分变化历程，为竹材离子液体预处理方法的发展提供理论指导，为木材离子液体处理、竹材酸碱处理等研究提供方法借鉴。

实现木质纤维素向生物质能源和材料的高值转化，必须对纤维素、半纤维素和木质素分别进行利用。因此，原料的预处理方法，是木质纤维素生物质转化的研究热点之一。采用离子液体溶解竹材、木材等生物质材料的方法已经获得广泛认可，但对于其的溶解机理与主要成分变化历程还缺乏研究。本项目选取了若干种常用离子液体，以竹材为研究对象，结合振动光谱成像技术，跟踪分析了离子液体溶解竹纤维素的过程，完成了以下的研究内容：（1）实现离子液体中竹材溶解过程的振动光谱原位分析，建立了基于微米尺度红外和拉曼光谱成像技术的木质纤维素化学显微结构表征方法，原位跟踪分析了离子液体中木质纤维素溶解过程。（2）探索了离子液体的阴阳离子结构对竹材溶解过程的影响。采用不同对抗溶剂重生出了纤维素凝胶，研究了小分子在其中的扩散过程及相互作用，为新型高效离子液体的合成与选择提供理论指导和分析方法。（3）注重竹材溶解过程中振动光谱成像方法的数据采集及信息提取，更全面有效地提取竹材振动光谱成像中的化学成分，以及主体化学成分的分布等。