《Carbohydrate Polymers》：Compressible lignin-enhanced holocellulose aerogel for adsorption applications
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本研究采用锂溴三 hydrate（LBTH）环保溶剂系统，实现了木质素与纤维素复合材料的同步溶解和重构，制备出高比表面积（188 m2/g）、高吸附性能（95.8%去除率）且机械柔性优异（抗压率超90%）的木质素增强纤维素气凝胶。通过调控木质素含量优化孔隙结构，并揭示其通过π-π堆积和静电作用增强吸附的机理，同时建立了凝胶动力学与吸附模型，为绿色生物质材料开发提供理论支撑。
杨嘉豪|贾文超|吴璐|黄凌志|肖天元|王冰|盛学茹|孙彦宁|法特希·佩德拉姆|史海强
中国轻工业大学生物资源高值利用重点实验室、辽宁省造纸与 pulp 工程重点实验室、木质纤维素化学与生物材料辽宁省重点实验室，大连理工大学轻工与化学工程学院，中国大连 116034
摘要
可持续气凝胶的发展受到无机材料脆性的限制，同时合成聚合物也会对环境造成负担。在本研究中，我们利用了一种环保的溶剂系统，实现了全纤维素和木质素的同步溶解与重构，从而制备出了包含所有主要木材成分的高性能全纤维素基气凝胶。所得气凝胶表现出优异的性能：具有出色的柔韧性（可承受超过90%的压缩）、高比表面积（188 m2·g?1），以及对亚甲蓝的优异吸附能力（18.86 mg·g?1，去除率95.8%）。本研究系统阐明了木质素在调节多孔结构及通过π–π堆叠和静电相互作用增强吸附能力方面的作用。此外，还建立了凝胶化动力学和吸附机制模型，为环保型先进气凝胶的可控制备提供了理论指导，促进了生物质增值和废水处理技术的协同发展。
引言
气凝胶作为一种轻质材料，以其纳米多孔网络结构、高比表面积和低密度而受到广泛应用，尤其在热绝缘、吸附、能量存储和生物医学等领域具有巨大潜力（Zhou等人，2023年）。然而，传统气凝胶（如二氧化硅气凝胶）的广泛应用受到其固有脆性和高生产成本的限制。近年来，基于聚合物前体（特别是合成聚合物）的有机气凝胶因优异的机械性能和良好的功能可调性而成为研究热点（Rudaz等人，2014年）。然而，大多数这类合成聚合物基气凝胶（如聚氨酯、聚苯乙烯和聚酰亚胺气凝胶）依赖于不可再生的石油资源，其合成和加工过程往往能耗高且污染严重。更严重的是，大多数合成聚合物难以自然降解（He等人，2025年），导致废弃物在生态系统中长期存在，引发“白色污染”问题（T. Li等人，2024年）。
为了解决这一挑战，开发源自可再生资源、环保且可生物降解的新型气凝胶已成为前沿研究的重要方向。全纤维素（主要是纤维素和半纤维素）和木质素作为木材的主要成分，因其几乎无穷无尽、可再生且可生物降解的特性而受到广泛关注（Lin等人，2024年；Song等人，2017年）。然而，纯全纤维素基气凝胶通常由于元素组成相对均匀和三维网络结构松散，难以同时实现理想的机械性能和功能性（Wang、Zhang等人，2025年）。值得注意的是，木质素同样来源于木材，具有独特的芳香结构、多样的元素组成和丰富的官能团（X. Zhang、Zheng等人，2024年）。这些特性使其能够与多种物质有效相互作用，甚至构建多层次的交互网络，为开发兼具优异机械性能和多功能性的集成材料提供了独特优势（H. Huang等人，2020年）。假设将全纤维素与木质素结合有望有效提升气凝胶的机械性能和功能性（He等人，2018年）。但不幸的是，两者不同的物理化学性质和强异质性导致缺乏通用的分离溶剂系统，阻碍了主要由全纤维素和木质素组成的多组分气凝胶的发展（F. Hu等人，2012年）。尽管这些溶剂系统各有优势（Zhu等人，2006年），但大多难以实现纤维素、半纤维素和木质素的完全均匀溶解而不导致组分降解或分离。少数能有效溶解所有组分的溶剂（Sun等人，2009年）往往具有高毒性、回收困难或对环境不友好，限制了其大规模应用。离子液体虽然具有优异的溶解能力，但其大规模应用受到高成本、复杂回收过程（Abafe Diejomaoh等人，2024年）和潜在生物毒性的限制。相比之下，有机溶剂系统（如DMSO/NMI）通常具有高毒性和挥发性，存在安全和环境风险，且大多难以实现全纤维素和木质素的同步均匀溶解。而熔盐水合物（MSH）系统主要由低成本无机盐和水组成，具有经济性、环保性和易回收等优点（Kim等人，2025年）。最新研究表明，MSH系统能够成功溶解木质纤维素（包含全纤维素和木质素），并通过可控的反溶剂再生过程将其重构为功能性材料（H. C. Jiang等人，2023年；Paiva等人，2024年）。这不仅为主要由纤维素和木质素组成的材料提供了均匀化学改性的新方法，更重要的是，为实现气凝胶中木质素和全纤维素的均匀稳定重组提供了可能，为木材各组分的绿色、低碳和高值利用开辟了广阔前景（Liao、Pang和Pan，2019a；Liao、Pang和Pan，2019b）。
本研究旨在寻找一种环保的溶剂系统，实现木质素和全纤维素的均匀溶解，并开发一种简单、环保的木质素增强型全纤维素气凝胶制备工艺。随后，系统研究木质素含量对气凝胶微观结构、热稳定性和机械性能的影响，评估吸附性能的提升，并通过光谱分析和建模阐明其吸附机制。基于此，选择了无危害性的熔盐水合物（MSH）系统——三水合溴化锂（LBTH）溶剂（Yuan等人，2021年），成功实现了全纤维素和木质素的同步溶解及其在柔性、可持续气凝胶材料中的重构。该方法有效促进了三种功能组分之间的兼容性和良性相互作用（图1a）。LBTH溶剂通过配位作用破坏了全纤维素和木质素中的分子间氢键，使其在该溶剂系统中均匀溶解。冷却过程中，水分子参与形成稳定的复合物，最终导致溶液凝胶化。多种组分的优异兼容性和多层次相互作用的累积效应赋予气凝胶出色的机械性能（Hu、Yao等人，2023年），使其能够承受超过90%的压缩而不破坏内部连续网络（图1b）。彻底的溶解过程使气凝胶的比表面积达到超过188 m2·g?1，远高于大多数报道的纤维素或生物质基气凝胶。木质素的加入创造了多个化学吸附位点，其芳香结构与亚甲蓝等吸附物发生π–π堆叠和静电相互作用，显著增强了吸附能力（Rebelo等人，2025年）。木质素增强型全纤维素（LEH）气凝胶的最大吸附能力达到18.86 mg·g?1（20 mg·L?1 MB），去除效率为95.8%。此外，本研究系统阐明了木质素含量在调节多孔结构方面的调控作用及其与亚甲蓝（MB）吸附性能的结构-性能相关性。通过建立凝胶化动力学模型和吸附机制模型，为高性能环保气凝胶的可控制备提供了理论支持，促进了生物质增值和废水处理技术的协同发展。
材料
本研究使用的木质纤维素生物质来自杨树，购自岳阳森林造纸有限公司；酶解木质素购自山东太阳造纸有限公司。根据供应商说明，该木质素含有少量内在的磺酸基团（-SO?H），这些基团是在生产过程中添加的，用于提高亲水性。使用的溶剂包括丙酮（分析纯）、无水乙醇（分析纯）、醋酸（分析纯）和氢氧化钠（分析纯）。
结果与讨论
选择成本低廉且易于获取的杨树作为纤维素和全纤维素的来源，其纤维素含量较高（72%全纤维素，表S1）。通过毛细管粘度法测定，纤维素的平均聚合度（DP）为738，对应的粘度平均分子量（Mη）约为120 kDa（第2.2.2节）。同时，酶解木质素（EHL）在LiBr系统中具有优异的溶解性。
结论
总结而言，本研究采用环保的溴化锂熔盐水合物（LBTH）溶剂系统，实现了纤维素、半纤维素和木质素的同步溶解与再生，制备出了具有高孔隙率和均匀多孔结构的LEH气凝胶。不同组分之间的协同作用有效缓解了传统气凝胶典型的脆性问题，使材料
CRediT作者贡献声明
杨嘉豪：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。贾文超：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、数据分析。吴璐：验证、数据分析。黄凌志：方法论、数据分析。肖天元：方法论。王冰：方法论、数据分析。盛学茹：数据分析。孙彦宁：方法论。法特希·佩德拉姆：方法论、数据分析。史海强：撰写
未引用参考文献
Chen等人，2020
Guo等人，2025
Li等人，2021
Pack等人，2024
Zhang等人，2024
Zhang、Zheng和C. Y. F. Q. L. H. L. H. L. Y. P. H. Z. S. C. Z. J，2024
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22378036、22409193）、辽宁省自然科学基金项目（2025-MS-154）、辽宁振兴人才计划（XLYC2202009）以及辽宁省普通高等学校基本科研业务费（LJ212410152037）的财政支持。
