日前，东北林业大学于海鹏教授带领其团队成功研发出一种羧基化纤维素纳米纤维的全新制备方法，一举破解了长久以来困扰业界的低成本、规模化及可持续性生产难题，为实现纳米纤维素的绿色工业化生产开辟了一条新路径。
（图 | 来源于：于海鹏）
该团队提出的创新方法能够保留天然纤维素结构，所得到的羧基化纤维素纳米纤维在具备超细直径、高长径比以及丰富羧基特性的同时，还完整继承了纤维素本身的优异自然属性。这种方法有望与经典TEMPO氧化法形成互补，并可能成为纤维素纳米纤维制备领域的又一标志性策略。
值得关注的是，此次研究采用的溶剂具有超过10次的循环利用能力，凸显了这一工艺在经济可行性和环保循环性上的优势，对于生物高分子和可持续材料的研发与生产具有显著推动作用。
于海鹏教授表示，下一步将积极寻求与企业合作，紧密结合实际生产需求来进一步优化和完善此方法，以期早日形成成熟的技术方案和工艺规程。目前，课题组已与一家生物质新能源公司及一家纸业巨头展开洽谈，力求通过强强联合加速该技术的市场化进程。
（来源：Nature Sustainability）
【追溯纳米纤维素四十年发展历程】
面对化石资源枯竭及碳中和目标的压力，生物质资源转化为高附加值的生物基产品已成为解决途径之一。纳米纤维素，广泛存在于木材、竹材、棉花等多种植物组织中，因其直径小于100nm而得名，具有独特的分子结构、物理力学特性和化学活性，被广泛应用在众多领域。尽管纳米纤维素自1983年在实验室首次获得，但直至2004年后才引起科研界的广泛关注，并在全球范围内掀起研究热潮，至今不衰。期间，科学家们开发了包括化学法、机械法、生物法、混合法在内的多种制备技术，其中强酸水解法、TEMPO氧化法和化学-机械法制备的纳米纤维素最具代表性。然而，尽管实验室研究相对成熟，真正实现工业化的纳米纤维素制备方法却寥寥无几。
为了克服工业化生产中的高效性、装置放大、能耗、成本、试剂循环使用、废液处理及环境影响等诸多挑战，亟需发展一种符合“绿色化学十二法则”的新型工业化制备方法，从而满足可持续发展的严格要求。
（来源：Nature Sustainability）
【不断突破，开创羧基化纳米纤维素制备新篇章】
早在2009年，于海鹏教授在设备条件有限的情况下，凭借对纳米纤维素概念的敏锐洞察和深入探索，指导学生陈文帅运用亚氯酸钠和稀碱溶液去除木质纤维中的木质素和半纤维素，再通过高频超声处理提取出直径2-20nm、长径比高达几百以上的纤维素纳米纤维。他们采取温和化学结合机械的方式，基于林木细胞壁的构效特点，有效实现了纤维素的提取和纳米纤维的分离。
后续研究中，于海鹏教授的学生刘永壮通过低共熔溶剂的研究发现，特定配比的氯化胆碱和草酸组成的低共融溶剂，在微波辅助下，能在短短3分钟内高效降解木质素和半纤维素，并提取出高纯度纤维素，进而用于纳米纤维素的制备。这一方法不仅环境友好且安全性较高，有效突破了传统方法对浓硫酸的依赖。
在此基础上，课题组进一步研发出水合低共熔溶剂法等新型制备技术，降低了溶剂成本，拓展了原料适用范围，并简化了制备过程，使其更易于对接现有工业体系。
2019年，面对TEMPO氧化法制备纳米纤维素存在的成本高昂、pH调控复杂及制备时间较长等问题，于海鹏教授布置给学生史晓超一项新的挑战。经过大量文献调研和不懈实验，他们最终提出了羧基化纤维素纳米纤维的革命性制备新方法，该方法不仅能媲美TEMPO氧化法的产物性能，还在绿色环保、低成本、溶剂可循环利用、制备便捷、易工业化和可持续性等方面展现出明显优势。
这项研究成果获得了国际同行的高度认可，其中包括TEMPO氧化法制备纳米纤维素领域的权威专家——东京大学Akira Isogai教授。相关论文《利用绿色可回收溶剂可持续生产羧基化纤维素纳米纤维》在Nature Sustainability（IF 27.6）上发表后，同期配发的评论文章对该工作给予高度评价，认为在可持续制备纳米纤维素方面取得了重大突破，溶剂配方的循环利用为羧基化纤维素纳米纤维的大规模经济化生产提供了有力支持。
对于纳米纤维素产业化前景的探讨，于海鹏教授坚信其拥有天然可持续资源优势、优良性能、广阔应用领域及雄厚研究基础，必然具备巨大的产业化潜力。他认为当前产业化进展滞后的主要原因并非上游制备技术瓶颈，而是下游需求驱动不足。因此，构建下游产业集群，形成上下游衔接的产业链闭环至关重要。他建议从轻工、化工、食品、药品等多个行业入手，利用现有的产业基础，通过“同质取代”和“相似取代”，逐步拓宽纳米纤维素的应用市场，拉动相关产业的发展。
参考文献：
[1] Shi, X., Wang, Z., Liu, S. et al. Scalable production of carboxylated cellulose nanofibres using a green and recyclable solvent. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01267-0
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