拆分“木块”，他们让木质纤维素“物尽其用”
拆分“木块”，他们让木质纤维素“物尽其用”
近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员王峰团队在木质纤维素分离技术方面取得重要突破。他们研发的催化木质素芳基化的三素分离（CLAF）技术，解决了木质纤维素绿色精炼过程中三素高效分离并高值化利用的难题。相关成果发表在《自然》杂志上。
木质纤维素三素催化精炼新策略示意图。
分离后的产物。大连化物所供图
木质纤维素广泛来源于可再生植物资源，如木材、竹材、秸秆等。从微观层面看，木质纤维素由3种组分构成——疏水性的木质素，亲水性的半纤维素、纤维素。纤维素分子交织成束，分散于半纤维素和木质素组分中，类似于钢筋混凝土的结构，在植物生长中发挥支撑和保护作用，但也导致这3种组分难以通过物理方式分离。
通过酸、碱、有机溶剂等化学处理方式，可实现这3种组分的部分分离，但通常只能利用其中的一种或两种组分，难以实现三素的高值化利用。
针对上述问题，王峰团队研发了催化木质素芳基化的三素分离（CLAF）技术。该技术采用催化反应手段，解决了木质纤维素绿色精炼过程中三素高效分离并高值化利用的难题。
该团队“因势利导”引入与木质素结构类似且具有高亲核活性的酚类化合物。在分离过程中，酚与木质素发生选择性芳基化反应，阻止木质素无序自缩合反应。木质素芳基化改性后，溶解性显著提高，可与纤维素、半纤维素组分高效分离，同时保留了自身活性芳基醚结构，更有利于后续催化解聚。
该CLAF技术以木质纤维素为原料，以高品质溶解浆、半纤维素糖、木质素双酚/聚合材料等为重要出口。其中，溶解浆中纤维素纯度高达95%以上，可替代棉花，作为纺织原料、药辅原料等；半纤维素糖可用于功能性糖、糠醛及其衍生物等重要平台化合物的生产，将有效拓宽半纤维素原料来源；木质素双酚及寡聚酚，虽暂无规模化应用，但现阶段的研究结果已经展现出其替代石化基双酚A（BPA）的巨大潜力。
作为热固性聚合物和热塑性聚合物的重要前体，木质素基双酚有望在涂料、胶黏剂、通用塑料和工程塑料领域提供可再生和环境友好的产品方案。
据介绍，该研究通过三素分离新方法得到的原料可以降低相关产业对化石资源的依赖。结合我国可再生资源的整体分布趋势，发展基于本地资源的生物质转化技术迫在眉睫，而CLAF技术可充分利用不同地区的生物质原料，推动相关产业本土化发展。
未来，团队希望尽快实现产业中试。“我国去年进口了300多万吨溶解浆，进口依存度接近90%；木糖和糠醛类产品的市场需求量有50多万吨；BPA的国内需求约400万吨。木质纤维素下游产品市场是明确的，现在主要的问题是如何经济、绿色地实现CLAF技术。在这条路上我们还需要做很多，比如在木质纤维素原料筛选、反应过程减碳、催化剂和反应器设计、产品纯化分离等方面还需持续创新、不断突破。”王峰说。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07446-5
本文原文来自《中国科学报》