离子液体/有机溶剂混合体系中木质纤维素材料的组分分离、及物理、化学结构调控机理研究

The mild and efficient fractionation and activation of lignocelluloses is one of the biggest challenges of biomass utilization towards a full utilization of the main components of lignocelluloses. This project is dedicated to developing a novel mixed low cost dissolution & pretreatment system for lignocellulose, which consists of designed and synthesized strong hydrogen bonding acceptor/donor ionic liquids, functionalized ionic liquids, and traditional polar organic solvents. The dissolution behavior of lignocelluloses, the molecular-level-interaction between low concentration ionic liquids in organic solvents with biopolymers, lignin-carbohydrates-complexes, tunable mechanism of physical chemical structure of lignocelluloses, tunable mechanism of cellulose crystalline structure induced by solvents will be investigated by using in-situ UV Raman Spectroscopy, NMR, Fluorescence Microscope, Atomic Force Microscope, Photo Emission Electron Microscopy, X-ray diffraction spectroscopy，technologies, and so on. We are aiming to build up novel methodologies of components analysis & structure elucidation of lignocelluloses; to build up structural relationship of pretreatment technology-physical, chemical structures-biological, chemical activity;to build up novel methodologies of components fractionation, activation and value-added applications through selective catalytic conversion of hemicelluloses or lignin to feedstock. The successful enforcement of this project will provide new knowledge to new energy plants cultivation, value-added application biomass, and contribute to a foundation of cost competitive bio-economy in the future.

生物质各组分高效、温和分离与活化，是实现生物质高效利用的基础之一。本项目拟以生物质主要组分全利用为出发点，通过合成强氢键给/受体离子液体、功能化离子液体与传统有机溶剂组成混合溶液体系，构建木质纤维素低成本溶解预处理新体系；通过原位紫外拉曼光谱、核磁共振、荧光光谱，原子力显微镜、深紫外激光光发射电子显微镜、广角X射线衍射等现代分析手段研究木质纤维素材料在其中的溶解行为，低浓度离子液体在有机溶剂中与生物质聚合物分子水平相互作用机制、木质纤维素各组分之间共价键连接方式及物理、化学结构调控机制，溶剂诱导的纤维素晶体结构诱变机制。建立成分组成分析与结构解析新方法体系；建立木质纤维素材料生物、化学反应应答机制与其物理、化学结构构效关系;建立木质纤维素材料组分选择性催化转化实现组分分离、活化与高值化利用新方法。本项目的成功立项与实施，将为生物质能源植物的培育、以及生物质高值化利用途径探索提供理论支持。

木质纤维生物质各组分高效、温和分离与活化，是实现生物质高效利用的基础之一。本项目拟以生物质主要组分全利用为出发点，通过合成强氢键给/受体离子液体、功能化离子液体与传统有机溶剂组成混合溶液体系，构建木质纤维素低成本溶解预处理新体系，揭示预处理样品微观结构与后续转化利用效率之间的构效关系，为生物质能源植物的培育、以及生物质高值化利用途径探索提供理论支持。通过本项目的资助，代表性研究成果主要包括：1. 系统研究了1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体与传统有机溶剂、生物基溶剂组成的有机电解质体系中玉米秸秆的溶解行为及通过再生萃取实现其组分温和分离及纤维素活化的分子机制，建立了高效的、绿色的、低成本木质纤维素生物质溶解技术，揭示了电解质体系生物质溶解的分子机制；2. 通过多学科交叉，揭示了组分微观结构与生物转化效率、点纺丝性质、催化转化效率之间的构效关系。为新型生物质预处理技术开发、组分分级多元化利用提供了重要的理论支持与技术支撑；3. 建立了有机功能催化的羧基功能化离子液体/水相木质纤维生物质组分选择性水解，实现了在保持纤维素、木质素组分含量同时，80%半纤维素的选择性水解，实现三维凝聚态结构解离与木质素迁移的组分分离与活化理论与技术； 4. 基于有机碱存在下，羟基化合物与CO2之间的温和反应，创造性的提出“捕获CO2用于纤维素溶解加工与转化”的概念，初步实现了纤维素温和条件下的高效溶解，初步揭示了体系通过原位形成的碳酸单酯阴离子与纤维素氢键网络相互作用及分子溶剂向离子溶剂的转化所引起的溶剂极性变化的协同作用，从而使纤维素氢键网络破坏，实现其溶解的机理，为实现纤维素溶解加工及高效衍生化提供了重要的研究平台，为新型纤维素溶解技术的研究与开发提供了重要的参考依据。