有机溶剂中木质纤维素材料的电辅助预处理
由于化石燃料的过度使用，导致碳排放增加。日益凸显的环境问题致使人们对可再生能源替代化石燃料的需求也随之增长。在这些替代来源中，木质纤维素(LCM)由于丰度高、价格低廉，有望作为可再生燃料和绿色化学品使用。然而，LCM具有坚固的3D结构，可抵抗化学或生物转化并阻碍其纤维素结构的水解。因此，将LCM用于生物燃料生产之前需要预处理，该过程可以使LCM去木质化，同时将大部分全纤维素保留在残余生物质中。
在众多预处理过程中，有机溶剂预处理显示出较高的去木质化效率(＞90 wt%)，但这些结果是在较高的工作温度（通常为150至235 ℃）下获得的。由于工作温度高，在大多数情况下半纤维素大量溶解在废液中，以至于最终得到的产物产率较低。
基于此，来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Maazuza Z. Othman教授等人基于木质素在离子液体(ILs)中的良好溶解性、以及ILs的优良电化学特性，使用电辅助有机溶剂预处理(EAOP)方法，首次在有机溶剂体系中对LCM进行电化学去木质化的工作。
研究人员选用三种常见易制得的咪唑基ILs（1-甲基-3-乙基咪唑鎓醋酸盐[Emim]OAc、1-甲基-3-乙基咪唑鎓氯盐[Emim]Cl、1-甲基-3-丁基咪唑鎓醋酸盐[Bmim]OAc），通过将ILs与选定的有机溶剂以5、10和20 wt％IL的浓度混合，将其用于制备ILs促进的有机溶剂体系(IL/O)。
[Emim]OAc和[Bmim]OAc都溶于5
wt％，10 wt％和20 wt％IL的乙醇和GVL中，形成单相IL/O溶液。但是，[Emim]Cl在有机溶剂中的溶解度有限，导致两相IL/O。乙酸乙酯与所有测试的IL不相容，丙酮仅与[Bmim]OAc相容。表1列出了所有可混溶溶液的离子电导率，电导率随IL比例的增加而增加。所有的IL/O溶液的电导率在实验条件下足以产生高于1.0 mA cm-2的电流密度，因此适用于EAOP。
除了它们的可混溶性和导电性之外，IL/O的电化学性质对其在EAOP中的潜在适用性至关重要。如图2所示，在所有三种测试的IL/O溶剂中均观察到氧化还原峰。在[Bmim]OAc/GVL、[Bmim]OAc/乙醇和[Emim]OAc/GVL中，阳极峰的位置分别约为0.8、0.7和0.9 V。[Bmim]OAc/GVL中的阳极峰弱于[Bmim]OAc/乙醇中的阳极峰，[Emim]OAc/GVL中的峰更宽，范围为0至2.0 V。在CV中观察到阳极峰的存在这些IL/O的曲线表明电极表面上的氧化还原反应，这对于EAOP是理想的。
研究人员选用了两种EAOP的良好候选溶剂（即10 wt％的[Bmim]OAc /乙醇和10 wt％的[Bmim]OAc / GVL），使用LCM材料研究了电压和不同类型的有机溶剂对EAOP去木质化效果的影响，结果如表2所示。当电势小于1.0 V时，没有明显的组成变化（例如，样品0V-BG和0.5V-BG）。然而，当电压等于或高于1.0 V时，木质素含量降低，当施加2.0 V的最高电压时，木质素含量低至12.7 wt％。另外，纤维素和半纤维素的比例随着木质素的去除而增加，表明全纤维素被大部分保留，并且EAOP工艺对木质素具有选择性。
除此之外，还确定了质量回收率以进一步评估EAOP的去木质化效果和选择性，结果如图3所示。篇幅有限，在此不再展开。
在这项研究中，研究人员对电辅助有机溶剂预处理(EAOP)进行了改进，使其能够有效地在环境温度下对LCM进行去木质化作用。通过在10 wt％[Bmim]OAc/GVL体系下施加2 V的电压，实现了EAOP的去木质化过程。这种结合了高效有机溶剂预处理和低温电化学木质素降解的预处理方法，为在温和条件下以电化学方式利用LCM提供了广阔的应用前景。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c06537
原文作者：
Wangqiyue Sun, Tamar L. Greaves and Maazuza Z. Othman
DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c06537
