多尺度原位研究离子液体溶解秸秆过程及作用机理

Cellulose dissolution in ionic liquids (ILs) provides a new line of thought for biomass utilization; In order to speed up the industrialization process of biomass utilization, clear understanding of the biomass dissolution process and mechanism in ILs is an important subject that urgent needs to be solved in addition to decrease the high cost and unendurable viscosity of ILs. In this subject, the straw dissolution process and mechanism with ILs in multi-scale would be investigated. In the macro-scale, straw powder dissolution would be observed and the influence factors would be studied. In the micro-scale and nano-scale, in-situ observation of the straw cell walls and microfibrils dissolution in ILs would be investigated, the influences of morphology changes of cell walls and microfibrils on the dissolution process and properties would be researched. In the molecular-scale, spectrum analysis and simulation calculations will be combined to study the key roles and determinants of the hydrogen bonds (HBs) formed between ILs and straw in the dissolution process. Combining and analyzing the theoretical and experimental results of different scales, the key procedures and influence factors of straw powder, cell walls, microfibrils and glucose chains dissolution in ILs would be obtained, meanwhile, the interaction forms and influence rules of the HBs in the dissolution phenomenons of the different scales will be acquired. Finally, the detailed dissolution process and integrated mechanism of straw dissolution in ILs would be concluded, which would provide theoretical guidance for the study of biomass pretreatment in ILs.

离子液体溶解纤维素为生物质能的利用提供了新思路，为了加快离子液体预处理生物质的工业化发展进程，除降低离子液体粘度和成本之外，明确离子液体溶解生物质过程及作用机理也是亟待解决的科学课题。本项目利用多尺度关联法原位研究离子液体溶解秸秆过程及作用机理。宏观尺度上，研究离子液体溶解秸秆过程及影响因素；微米及纳米尺度上以原位观察手段为主，研究离子液体溶解细胞壁及微纤维的形貌变化对溶解过程及性能的影响；分子尺度采用多种光谱手段，同时辅以模拟计算，研究离子液体与生物质相互作用所形成的氢键在溶解过程中的关键作用及决定因素。将不同尺度的理论与实验研究结果进行关联及分析，获得在溶解秸秆粉末、微纤维和葡萄糖链的过程中的关键步骤与影响因素，同时获得离子液体与秸秆所形成氢键在不同尺度溶解现象中的作用形式及影响规律，最终得出离子液体溶解秸秆生物质的详细过程及完整作用机理，为研究离子液体预处理生物质工业化提供理论指导。

本项目面向生物质利用领域，针对传统预处理秸秆方法的污染重、效率低等问题，研究新型离子液体预处理秸秆体系的开发及离子液体预处理秸秆的作用机理，为秸秆等生物质的利用提供技术和理论支撑。.完成的主要研究内容如下：（1）合成了一系列离子液体，并测定了离子液体的物性数据；开发了不同类型离子液体预处理体系溶解分离秸秆纤维素，并从秸秆获得了不同晶型类型的高纯纤维素；（2）分析不同离子液体体系溶解分离秸秆的作用过程，获得了离子液体溶解秸秆的微观作用机理；（3）利用离子液体作为溶剂和催化剂分别与秸秆纤维素和木质素衍生物等作用获得了富纤维素气凝胶和高值化学品等产物。.取得主要研究成果如下：（1）利用低成本质子型离子液体溶解分离秸秆，半纤维素和木质素去除率可超过90wt%，获得了结晶度较高的I型纤维素材料；开发的离子液体+氨基磺酸复合体系溶解分离秸秆，获得再生的高纯度Ⅱ型纤维素材料；（2）利用实验和模拟相结合研究离子液体溶解秸秆的作用机理，[Bmim]Cl+氨基磺酸复合体系溶解分离秸秆纤维素，主要通过降解溶解体系中的木质素和半纤维素，获得高纯再生纤维素；质子型离子液体主要通过溶解秸秆木质素和半纤维素来实现纤维素的分离；多尺度下研究不同类型离子液体溶解秸秆，发现溶胀是秸秆纤维素溶解的关键步骤，充分溶胀后发生溶解，离子液体与纤维素形成氢键作用是导致其溶胀溶解的根本原因；（3）利用离子液体+氨基磺酸复合体系溶解秸秆可一步去除木质素，获得比表面积较高的富纤维素气凝胶，可用于染料吸附等领域；开发的Ru/SBA-15和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[Bmim]PF6）离子液体催化体系对木质素衍生物转化率超过99%，目标产物选择性较高；同时利用1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐和1-丙基磺酸-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐组成的二元体系，可在无金属温和光催化条件下实现木质素衍生物转化，获得高附加值化学品。（4）发表论文8篇，申请专利5项，项目负责人2019年获得第四届“闵恩泽能源化工奖”青年进步奖；在该项目的支持下，负责人在项目执行期间由助理研究员晋升为副研究员，协助培养3名博士研究生毕业、1名硕士研究生毕业和1名博士研究生在读。