陳朝吉教授領導的“88858cc永利官网生物質工程與可持續利用實驗室（X-Biomass Lab）”聚焦生物質資源，特别是農林廢棄生物質資源的綠色低碳轉化與高值利用，以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。在2025年剛過去的三周，實驗室在生物質基功能材料研究方面取得一系列成果，連續在Nature Communications（《自然·通訊》）、Advanced Materials（《先進材料》）（2篇）、Science Bulletin（《科學通報（英文版）》）發表。
Nature Communications：基于木質素非共價網絡構建兼具極端環境适應性和生物相容性的強韌超分子有機水凝膠
天然承重材料，例如肌肉與軟骨，擁有卓越的力學特性，包括高強度、高韌性以及快速恢複能力等。然而，對于合成材料，特别是凝膠類材料，達成優異生物相容性、極端環境适應性與出色力學性能的協同統一，依舊是一項極具挑戰性的任務。
針對這一挑戰，88858cc永利官网陳朝吉教授團隊聯合南京林業大學金永燦教授團隊提出一種“自下而上”的溶液-界面誘導自組裝策略，通過構建非共價鍵合的超分子交聯網絡，成功研制出由殼聚糖-木質素磺酸鹽-明膠構成的超分子有機水凝膠。該有機水凝膠具有優異的可壓縮性、抗疲勞性、極端環境适應性、生物相容性以及可回收性等特點。木質素磺酸鹽所含的磺酸基與羟基，借助界面非共價鍵相互作用，在殼聚糖與明膠的雙網絡結構中發揮分子橋梁作用，有效連接多個網絡。當凝膠遭受拉伸或壓縮時，這些網絡能夠高效地耗散機械能，避免應力集中。此外，乙二醇與水組成的溶劑誘導木質素磺酸鹽形成均勻分散的納米顆粒，進一步擴充了交聯位點的數量。
基于連體網絡的能量耗散機制，該有機水凝膠展現出優異的抗壓強度（54 MPa）與韌性（3.54 MJ/m3），相較于純殼聚糖/明膠水凝膠，分别提升了100倍和70倍。與此同時，該有機水凝膠還具備卓越的自恢複能力與抗疲勞特性，即使在50%應變條件下曆經50萬次壓縮循環，該有機水凝膠依然保持完整。此外，這種有機水凝膠在體内與體外實驗中均呈現出顯著的生物相容性，并表現出良好的低溫環境适應性和可回收性。該有機水凝膠的主要組分均來源于生物可降解材料，為綠色、高性能承重材料的開發開辟了一條新的途徑。相關研究成果近日以題為“Compressible, Anti-Fatigue, Extreme Environment Adaptable, and Biocompatible Supramolecular Organohydrogel Enabled by Lignosulfonate Triggered Noncovalent Network”發表于綜合性期刊《Nature Communications》，南京林業大學博士生/88858cc永利官网聯培生谷一輝、88858cc永利官网博士後徐超為論文共同第一作者，88858cc永利官网陳朝吉教授與南京林業大學金永燦教授、姜波副教授為共同通訊作者。文章鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55530-1
圖1. 殼聚糖-木質素磺酸鹽-明膠超分子有機水凝膠的構建與優勢
Advanced Materials：超分子尺度親水性調控助力納米纖維素快速脫水、成型及高強、阻燃塊體結構材料構築
不可再生石化資源的過渡消耗和石油基塑料制品難以降解帶來的環境問題對全球可持續發展帶來諸多挑戰，開發利用生物質基新材料有望成為解決該困境的有效途徑。纖維素是自然界儲量和産量最為豐富的生物質之一，利用纖維素構建高性能生物質結構材料可緩解石化資源消耗，減少環境負擔，促進可持續發展。近年來，納米纖維素（CNFs）輕質高強的特點受到廣泛關注，其結晶區的理論拉伸強度為1.6~6.6 GPa，模量為56~220 GPa，而密度（1.5~1.6 g cm-3）僅為鋼鐵的1/5，因此，以納米纖維素作為基本單元構建輕質高強塊體材料具有極大的潛力。然而，由于納米纖維素保水值高，難以幹燥成型，嚴重阻礙了納米纖維素結構材料的發展。傳統的納米纖維素分散液脫水方法包括抽濾、蒸發、熱壓、噴霧幹燥、冷凍幹燥和超臨界流體幹燥等，這些方法适用于制備薄膜和氣凝膠，但難以制備具有較大厚度、緻密且可模塑成型的塊體材料。
為有效解決上述問題，88858cc永利官网陳朝吉教授團隊聯合廣東工業大學邱學青教授和華南理工大學方志強副研究員開展了一系列深入研究。創新性地提出在超分子尺度屏蔽親水基團、減少親水晶面暴露和縮短納米纖維素間距等策略協同降低保水值，通過壓濾方式實現快速脫水，進一步采用熱壓模塑成型構築輕質高強塊體材料。利用先進表征技術研究快速脫水機理；綜合考量納米纖維素塊體材料的力學性能、水穩定性、熱穩定性、阻燃性、可降解性和循環利用性等服役特性，全方位評定納米纖維素塊體材料的性能、環境效益以及替代傳統石化基塑料的潛力。相關研究成果近日以題為“Supramolecular Scale Hydrophilicity Regulation Enabling Efficient Dewatering and Assembly of Nanocellulose into Dense and Strong Bulk Materials as Sustainable Plastic Substitutes”的論文發表在《Advanced Materials》上。88858cc永利官网博士後周傑、2022級碩士生馬一凡為論文共同第一作者，88858cc永利官网陳朝吉教授和華南理工大學方志強副研究員為論文共同通訊作者。文章鍊接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415313
圖2. 超分子尺度親水性調控助力實現納米纖維素的快速脫水和構築高性能塊體結構材料
Science Bulletin：水-纖維素-共聚物相互作用調節實現互連中空纖維網絡增強水凝膠
在過去的十幾年中，金屬配位、鹽析、溶劑交換、雙網絡和共聚等策略被廣泛應用于構築高強水凝膠的研究中，但在構築超高力學強度水凝膠方面仍面臨較大挑戰。纖維增強已成為設計高強水凝膠的可行策略，主要包括碳纖維、玻璃纖維、聚合物纖維和天然纖維。與合成纖維相比，可再生天然纖維具有碳足迹低、重量輕、成本低等優點，被認為是滿足碳中和需求的理想增強相。然而，傳統的纖維增強策略主要采用的是非互連纖維。當纖維增強複合水凝膠受力時，非互連的纖維容易發生滑動甚至切斷水凝膠基質，從而破壞纖維與基質之間的協同作用，導緻水凝膠快速失效。
采用互連纖維網絡作為複合水凝膠增強相是一種很有前途的解決方案，可以克服這些挑戰并獲得更高的機械強度。88858cc永利官网陳朝吉教授團隊聯合鄧紅兵教授與浙江大學龐震乾教授團隊提出了一種基于互連天然纖維網絡多尺度協同增強水凝膠的構築新策略。具體來說，共聚形成的聚合物網絡填充在中空纖維素纖維的内部和外部并焊接了纖維連接處，從而與纖維建立了強健的界面及豐富的強氫鍵，實現跨尺度增強。這種水-纖維素-共聚物相互作用調節輔助的跨尺度增強策略适用于多種聚合物水凝膠，為設計高強水凝膠提供了一條實用的通用途徑。同時，這種策略僅包含簡單的浸漬和聚合工藝，凸顯了工業規模生産的可行性，使其具有廣泛的應用前景。相關研究成果以題為“Super-Strong Hydrogel Reinforced by An Interconnected Hollow Microfiber Network Via Regulating the Water-Cellulose-Copolymer Interplay”發表在《Science Bulletin》上，88858cc永利官网陳朝吉教授、鄧紅兵教授和浙江大學龐震乾教授為論文共同通訊作者。文章鍊接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.013
Advanced Materials：探究锂離子電池生物基聚合物電解質的環境可持續性
全球氣候和生物多樣性危機促使能源存儲向可再生、可持續轉型，锂離子電池因其出色的能量密度、長壽命和高充放電效率，在能量儲存中占據着重要地位。然而，展望未來，锂離子電池的發展面臨着新的挑戰，其在維系優異電化學性能的同時，亟需實現從化石基材料至可再生材料的轉換，以此增進環境可持續性。值得慶幸的是，以天然來源的生物基聚合物制備電解質，為解決上述困境開辟了可行路徑。生物基聚合物所含豐富的官能團能夠高效解離锂鹽，進而賦予電解質較高的離子電導率和較寬的電化學穩定窗口。但就目前研究而言，對于生物基聚合物電解質的環境影響的研究還不全面，缺乏統一且标準化的評估來衡量其環境可持續性。
為有效解決上述問題，88858cc永利官网陳朝吉教授團隊聯合西班牙巴斯克大學Erlantz Lizundia教授開展了一系列深入研究。篩選出具有代表性的生物基聚合物，制備成锂離子電池用生物基聚合物電解質。綜合考量電解質的離子電導率和電化學穩定窗口，借助生命周期評估（LCA）手段，對其環境影響量化評估，全方位評定生物基聚合物物電解質的電化學性能和環境效益。相關研究成果以題為“Environmental Sustainability of Natural Biopolymer-Based Electrolytes for Lithium Ion Battery Applications”的論文發表在《Advanced Materials》上。88858cc永利官网2022級博士生黃京、2023級博士生王思俊為論文共同第一作者，88858cc永利官网陳朝吉教授和西班牙巴斯克大學Erlantz Lizundia教授為論文共同通訊作者。文章鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202416733
上述研究成果受到國家自然科學基金（52273091、22461142135、32271797、32271811、U23A6005）、88858cc永利官网高層次引進人才啟動資金（691000003）、武漢市知識創新專項-基礎研究項目（2023020201010072）等的資助。研究也得到88858cc永利官网科研公共服務條件平台的材料表征支撐。
課題組網站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
