基于木质纤维素的生物质在离子液体中溶解机理的分子模拟

以木质纤维素（lignocellulose）为原料的生物质燃料（biofuel），因其不会"与人争粮"，而且不增加温室气体的排放，是一种非常有前景的可再生能源，已经列入我国十一五的能源规划。目前木质纤维素预处理过程的低效和高成本，是限制其大规模利用的技术瓶颈。离子液体（ionic liquids）是仅由阴阳离子组成、常温下呈液态的一种近年来发展迅猛的新型溶剂，由于其独特的性质，能够在较温和条件下直接溶解纤维素。至于其溶解机理，目前尚处于定性推断阶段。本项目在建构适合模拟纤维素-离子液体体系力场的基础上，采用分子模拟研究纤维素在离子液体及其共溶剂中的溶解自由能、微观形态和动力学特征。旨在分子层次上探讨阻碍纤维素溶解的主要因素，以及其在离子液体中得以溶解的原因，以求在此基础上设计更高效的离子液体，为大规模利用木质纤维素添砖加瓦。

木质纤维素作为自然界储量最丰富的可再生资源，成为可持续发展的研究热点。然而由于其结构稳定，预处理过程成本很高，极大限制了其大规模应用。离子液体是一种仅由阴阳离子构成的新型溶剂，近年来发现能在较温和条件下有效溶解纤维素，较传统工艺污染少、效率高、成本低，但对其分子层次上的溶解机理尚知之甚少。本项目基本按照拟定计划开展研究，以分子模拟为手段详细研究了纤维素-离子液体体系，得到成果有：(1) 提出一种优化离子液体力场参数的系统方法，解决了目前离子液体分子力场预测动力学性质与实验结果有数量级差别之缺陷。其特点是通过双离子对拟合电荷以反映平均极化效应，最大程度沿用已有力场参数、通过scale电荷获得可移植性，应用联合原子降低计算量，在运算速度、准确度和可移植性之间实现平衡。(2) 开展了多种离子液体-糖-水体系的分子模拟，结果表明无需引入经验可调参数，用上述力场结合LB组合规则就能较好预测这些混合体系的热力学和动力学性质。通过微观结构分析发现阴离子在溶剂化过程中起主导作用，与糖分子上的羟基形成氢键，其强度高于阴阳离子之间以及阳离子与糖之间的氢键作用。水分子与糖与离子液体间均可形成氢键，对溶解造成很大影响。(3) 用分子模拟研究了离子液体及共溶剂在纤维素表面的行为。发现每8*8个葡萄糖单元形成的表面可吸附18个氯离子，其与纤维素表面羟基形成2到3个氢键，导致体系能量下降约33kJ/mol。加入水减少了形成三氢键的比例，削弱了氢键强度；而加入DMSO不会降低氢键强度。这些结果为设计更有效的新型溶剂提供了理论参考价值。本项目共培养博士生2名，硕士生3名，发表论文5篇，在相关国际会议上做邀请报告2次，获国内会议优秀墙报奖一次。