综述：深共晶溶剂（DES）的出现：化学性质、制备方法、性能以及在生物炼制和关键材料领域的应用

《Progress in Natural Science: Materials International》：Emergence of deep eutectic solvents (DES): chemistry, preparation, properties, and applications in biorefineries and critical materials

深熔盐溶剂（DES）因其环保、低挥发性及可调的物化性质，成为生物精炼、电化学能源及制药等领域的绿色替代品。DES通过氢键网络实现高效溶解生物质中的 lignin，促进纤维素水解，并衍生高附加值产品如抗氧化剂、纳米农药及生物塑料。在能源领域，DES作为电解质在锂离子电池和超级电容器中表现出高稳定性和低毒性。未来需进一步探索DES的规模化回收、多组分协同效应及跨行业应用潜力，以推动可持续工业发展。

　　随着全球对可持续发展的日益关注，深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DES）作为一种清洁、高效的催化剂和溶剂，正在成为木质纤维素生物精炼厂及关键材料产业的新选择。DES的出现为生物精炼和相关行业带来了新的机遇，特别是在化学、能源、制药、纺织和水冶等领域的应用。本文将深入探讨DES的化学特性、制备方法、加工性能以及可回收性，同时强调其在生物精炼体系中的应用潜力，特别是在木质纤维素预处理和高附加值产品的生产方面。此外，我们还将探讨DES在电化学能量设备中的应用，如作为电解质、电极材料的合成介质以及电池回收中的浸出剂。最后，本文将展望DES在制药、水冶和纺织等领域的多功能应用，以及其在可持续加工中的贡献。

### 1. DES的特性与应用

DES是一种由氢键供体（Hydrogen Bond Donor, HBD）和氢键受体（Hydrogen Bond Acceptor, HBA）组成的低熔点混合物。这些溶剂具有良好的生物降解性、可调的物性以及低挥发性，使其成为传统溶剂的环保替代品。例如，Choline chloride（ChCl）作为常见的HBA，其与尿素、甘油等HBD结合，可形成具有低熔点的DES。这类溶剂不仅在生物精炼中表现出色，还在电化学储能、药物提取和工业应用中展现出独特优势。

在生物精炼领域，DES能够有效溶解木质纤维素（Lignocellulosic Biomass, LCB），其结构由纤维素（30-50%）、半纤维素（20-35%）和木质素（15-30%）组成。DES在预处理过程中可以破坏木质纤维素的密集氢键结构，促进纤维素和半纤维素的水解，提高木质素的溶解性。此外，DES的低粘度和可调的极性使其在生物燃料和生物化学品的生产中表现出色，为实现更高效的生物质转化提供了可能性。

### 2. DES的制备与可回收性

DES的制备通常依赖于HBA和HBD的简单混合，而非复杂的化学反应。这种方法不仅降低了制备成本，还减少了环境负担。然而，为了确保DES的性能和稳定性，必须注意其储存和干燥条件，以及HBA和HBD的纯度和含水量。例如，ChCl、四丁基氯化铵、四丁基溴化磷和氯化锌等HBA具有高吸湿性，容易与水分结合，因此在储存时需采取措施防止吸湿。

DES的可回收性是其可持续性的重要组成部分。通过添加反溶剂（如水、乙醇或丙酮），可以实现木质素等成分的沉淀和回收。例如，Mamilla等人（2019）使用ChCl: 甘油的DES进行预处理，实现了高纯度木质素的回收。此外，膜过滤、超声波辅助提取和冷冻干燥等方法也被广泛用于DES的回收和再利用。这些技术的实施不仅有助于降低处理成本，还能减少废弃物的产生，提高资源利用率。

### 3. DES在生物精炼中的应用

在生物精炼过程中，DES的使用能够有效改善生物质的转化效率。传统的预处理方法，如酸处理、碱处理和有机溶剂处理，往往伴随着高能耗、高成本和环境污染等问题。相比之下，DES作为绿色溶剂，能够以较低的温度和压力实现对木质素的选择性溶解，同时保留纤维素和半纤维素的结构完整性。例如，使用ChCl: 甘油的DES进行预处理，可以显著提高纤维素的可酶解性，同时减少木质素的含量，从而提升后续的糖产量。

在木质素的提取过程中，DES的特性使其能够选择性地溶解木质素，而不会对纤维素造成破坏。例如，Liu等人（2021）通过微波辐射在80°C下使用ChCl: 氧化苹果酸（LA）的DES对杨树进行预处理，成功提取了80%的木质素。该研究还指出，DES的氢键网络能够破坏木质素与纤维素之间的连接，从而提高木质素的溶解性和可回收性。

### 4. DES在电化学能量设备中的应用

DES在电化学能量设备中的应用主要体现在其作为电解质、电极材料的合成介质以及电池回收中的浸出剂。由于其低挥发性和非易燃性，DES被广泛应用于锂离子电池（LIB）和锂金属电池的电解质设计。例如，ChCl与甘油结合形成的DES具有较高的离子导电性和良好的热稳定性，适合用于高性能电池系统。此外，DES还被用于合成纳米结构电极材料，其氢键网络能够促进电极材料的均匀分布和结构稳定性。

在电池回收方面，DES能够有效浸出锂离子电池中的贵金属，如钴和锂。例如，Ajayan等人（2019）使用EG和ChCl的DES体系从废旧锂离子电池中回收钴，并通过沉淀和煅烧等步骤将其转化为Co3O4。这一方法不仅提高了回收效率，还减少了传统回收过程中对环境的污染。

### 5. DES在制药和工业中的应用

DES在制药和工业领域也展现出广阔的应用前景。在药物研发中，DES能够提高药物的溶解性和稳定性，特别是在提高生物利用度方面。例如，使用ChCl: 甘油的DES可以显著增强姜黄素的溶解性和稳定性，使其在光照条件下不易降解。此外，DES还被用于制备药物缓释系统，通过控制溶剂的极性和粘度，实现药物的可控释放。

在水冶领域，DES被用作液-液萃取剂和浸出剂，用于从低品位矿石、工业废料和副产品中回收金属。例如，使用ChCl与不同羧酸（如草酸、丙二酸和肉桂酸）结合的DES体系，能够有效溶解金属氧化物（如ZnO、CuO和Fe3O4），并用于金属提取。此外，DES还被用于从废水中回收金属，如从HCl溶液中提取铟（In）。

在纺织行业，DES作为环保溶剂，能够用于染色和清洗过程，减少对有害化学品的依赖。例如，使用ChCl与甘醇酸结合的DES进行染色，可以实现对羊毛等材料的高效染色，同时减少染料残留和废水排放。此外，DES还被用于从聚酯纤维（PET）中吸附蒽醌染料，提高染料的回收率。

### 6. 未来研究方向与挑战

尽管DES在多个领域展现出良好的应用前景，但其在工业大规模应用中仍面临一些挑战。例如，DES的粘度和离子导电性对其性能有重要影响，而这些特性通常受到温度、HBA和HBD的摩尔比例以及溶剂组成的影响。此外，DES的回收和再利用效率仍需进一步提高，以降低其在工业应用中的成本。

未来的研究方向包括开发更精确的相图和非理想相互作用模型，以更好地预测DES的行为并优化其设计。同时，结合高通量筛选和机器学习技术，可以加速DES的配方发现，提高其在特定工业应用中的性能和经济性。此外，还需要进一步研究DES在不同生物质预处理条件下的表现，以及其在药物开发和环境治理中的潜在应用。

综上所述，DES作为一种新型的绿色溶剂，正在为多个工业领域带来革命性的变化。其低毒性、低成本和可调的物性使其成为传统溶剂的理想替代品。随着研究的深入和技术的进步，DES有望在生物精炼、电化学能量设备和可持续工业加工中发挥更大的作用，为实现绿色化学和可持续发展提供新的解决方案。