木质部自上而下柔性多孔骨架构建及精细构造研究

Recently, the tremendous research efforts were made to investigate the fabrication of lignocellulose porous 3D functional material (aerogel) assembled from nanocellulose by the “bottom-up” strategy. The tradition process of lignocellulose aerogel involving the purification of cellulose by removing other matrix materials from wood powders, nanofibrillation of high-quality nanocellulose, and then assembled to 3D structure with complex procedures. As a main source of nanocellulose, wood xylem possesses the natural hierarchical porous structure, and could be the excellent precursor of 3D porous material by“top-down”strategy. In view of the complex processing of lignocellulose aerogel, a novel “top-down” strategy will be induced to in-situ separating the amorphous substance from the plantation wood, and gradually obtain the xylem-derived flexible porous scaffolds. Then we study the hierarchical structure from micro- to atomic- scale level, and reveal the realization mechanism of high-elastic function from porous structure derived from” top-down” strategy and “bottom-up” methods, further illustrate the new “top-down” mechanism of secondary pores construction by high-temperature pyrolysis and advanced materials fabrication. This project will provide scientific basis for the research of micro- to atomic- scale biomacromolecule scaffold structure in xylem, and present a new green and scalable way to design and exploitation of functionalized lingocellulose 3D porous materials derived from the abundant plantation wood with a low fabrication cost.

木质纳米纤维素自下而上组装成为3D多孔功能材料是当今木基纳米新材料的研究热点。木材作为纳米纤维素主要来源，具有天然的多级孔隙结构，是自上而下制备3D多孔材料的绝佳前驱体。木质纤维素气凝胶的常规制备都是先从细胞壁中分离、纯化出纳米纤维素，随后再进行复杂的结构组装。为了简化原有的繁琐制备过程，本课题引入自上而下的全新技术路线，将人工林木材的木质部中无定型物质原位分离，逐步得到木质部的多孔柔性骨架，从而获取木质部晶态大分子骨架的分子级到纳米级的多尺度结构信息，并实现3D多孔材料的规模性制备；通过与纳米纤维素自下而上定向仿生构筑木材多孔结构的对比，揭示木质纤维素精细构造对柔性高弹功能的实现机理；并通过高温热解调节实现木质纤维素的二次孔道构建和功能开发，阐明自上而下多孔骨架构建的新机制；本项目为人工林木质部精细构造的研究提供科学依据，对高效开发功能化的木质衍生3D多孔材料提供新的科学路线。

木质部骨架的多层级结构开发对木材微纳结构的解译与解离、木基功能新材料的创制以及木竹生物质材料高值化利用具有重要意义。1）本项目以木材作为木质纤维素的主要来源，分离木质部木质素、半纤维素等无定型物质后“自上而下”地获取了晶态大分子骨架，通过调控细胞壁多孔结构以及对射线组织结构的定向调控，成功实现柔性高弹的弹性木材的制备；对弹性木材沿弦向压缩时，弹性模量高达576 MPa，经过1000次压缩循环后，仍可恢复到其原始尺寸的94.7%，赋予了天然木材弹性功能。2）本项目还通过“自下而上”的技术路线定向仿生构筑了天然木材的多孔结构，经孔隙结构调控后，比表面积可高达2203 m2 g-1，通过化学交联或与功能材料复合，可赋予木质纤维素高吸附性（10s内吸附率为532.2 mg g-1 min-1，吸附效率达97.0%,最大吸附量为1000 mg g-1）、高导电性（140 mAh·g-1的高容量和99.6%的超高库伦效率）等先进功能，为高值化应用提供理论基础。3）本项目通过高温热解实现了对木质纤维素衍生炭孔道的二次构建和精细化调控，孔道二次构建后的木基多孔材料比表面积为746.16 m2 g-1，较调控前提升1倍，并且分别实现了N原子掺杂、S空位掺杂、石墨烯插层对木质纤维素衍生炭改性，进一步拓展了木质衍生多孔材料的储能、催化、吸附等多种新功能。综上，本研究深入挖掘了木基骨架的弹性潜力，实现了木基多孔弹性材料的构建，完成了木质衍生多孔炭气凝胶的功能化应用；特别地，本项目深度解析了细胞壁次生壁的精细构造，发明了木材次生壁聚集体薄层精准解离新技术，首次分离出独立的细胞壁S2层聚集体薄层，实现了细胞壁超分子水平研究的新突破，为木质多孔材料的制备与功能化提供了新的科学途径。基于本项目的研究工作，共发表SCI收录论文13篇（一区7篇，3篇IF＞15）；中文核心论文6篇；授权国家发明专利5件；发表国际会议口头报告3次。同时荣获第十六届林草青年科技奖、梁希林业科学奖自然科学一等奖以及茅以升科学技术奖木材科学技术奖，取得了丰富的研究成果。