在全球應(yīng)對氣候變化、追求可持續(xù)發(fā)展的浪潮中,從化石資源轉(zhuǎn)向可再生生物質(zhì)資源,是材料科學(xué)領(lǐng)域一場深刻的變革。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉海超教授與唐小燕副教授團隊在國際頂級化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》(JACS)上發(fā)表了突破性研究成果,成功利用生物質(zhì)衍生的C8單體,為研發(fā)完全可持續(xù)的聚酯材料開辟了一條高效、可行的新路徑。這項研究不僅標(biāo)志著生物基材料技術(shù)研發(fā)的一個重要里程碑,也為未來綠色化學(xué)工業(yè)體系注入了強勁動力。
聚酯材料,如我們熟知的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯),因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于紡織、包裝、工程塑料等領(lǐng)域。其傳統(tǒng)生產(chǎn)嚴(yán)重依賴石油化工路線,其核心芳香族單體(如對苯二甲酸)通常來源于不可再生的化石資源。這一過程不僅消耗有限資源,其全生命周期碳排放也備受關(guān)注。發(fā)展基于可再生生物質(zhì)的替代品,特別是能夠?qū)崿F(xiàn)分子結(jié)構(gòu)“從搖籃到搖籃”循環(huán)的生物基聚酯,已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。
挑戰(zhàn)重重。理想的生物基替代單體需要滿足幾個關(guān)鍵條件:原料來源豐富且可再生、合成路徑高效綠色、最終聚合物性能(如熱性能、力學(xué)性能、加工性)至少與石油基產(chǎn)品相當(dāng)。此前的研究中,直接來源于生物質(zhì)平臺化合物的單體(如源自呋喃的2,5-呋喃二甲酸FDCA)雖已取得進(jìn)展,但其聚合物在某些性能(如熱穩(wěn)定性、耐水解性)上與傳統(tǒng)PET仍有差距。尋找結(jié)構(gòu)更優(yōu)、性能更全面的生物基單體,是突破瓶頸的關(guān)鍵。
北京大學(xué)研究團隊的創(chuàng)新之處在于,他們將目光投向了生物質(zhì)平臺化合物中更具潛力的C8骨架。研究團隊設(shè)計并成功開發(fā)了一條高效、原子經(jīng)濟性高的催化合成路線,從豐富的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)(如玉米芯、秸稈等)的衍生物出發(fā),通過精準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化,構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)新穎的C8環(huán)狀二酯單體。
該路線的核心在于利用多相催化或酶催化等綠色催化手段,實現(xiàn)了從五碳或六碳糖衍生物到目標(biāo)八碳單體的高效、高選擇性“拼接”與官能團轉(zhuǎn)化。整個過程避免了有毒試劑的使用,反應(yīng)條件溫和,副產(chǎn)物少,充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)的原則。這種C8單體在結(jié)構(gòu)上巧妙模擬了傳統(tǒng)芳香族單體的剛性與對稱性,同時其脂肪族-環(huán)狀雜化結(jié)構(gòu)又帶來了新的特性可能。
研究團隊將該生物質(zhì)C8單體與生物基乙二醇(如來源于甘蔗的乙二醇)進(jìn)行聚合,成功制備了一系列新型聚酯材料。性能表征結(jié)果令人振奮:
最重要的是,該聚酯的所有碳原子均來源于當(dāng)代生物質(zhì),通過光合作用從大氣中固定二氧化碳,從根本上實現(xiàn)了材料的“碳中和”或“碳負(fù)”潛力,是真正意義上的“完全可持續(xù)聚酯”。
北京大學(xué)劉海超、唐小燕團隊的這項JACS工作,其意義遠(yuǎn)超于一個高性能新材料的發(fā)明:
從實驗室突破到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,仍需在單體合成成本控制、聚合工藝優(yōu)化、材料長期耐久性與回收體系構(gòu)建等方面開展持續(xù)研究。但毫無疑問,這項研究如同點亮了一座燈塔,清晰地指明了通往完全可持續(xù)高性能聚酯材料的方向。隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和碳中和目標(biāo)的承諾日益堅定,以北京大學(xué)這項突破為代表的生物基材料技術(shù)研發(fā),正加速將綠色、循環(huán)的未來材料帶入現(xiàn)實。
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更新時間:2026-05-12 02:46:27
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