综述：利用生物基原料和二氧化碳合成可持续的绿色生物聚碳酸酯，以实现碳中和目标：机遇与挑战

《Bioresource Technology》：Synthesis of sustainable green bio-polycarbonates from bio-based feedstock and CO 2 toward carbon–neutral goals: opportunities and challenges

本文综述了生物基环氧树脂与二氧化碳共聚制备全生物可降解聚碳酸酯的最新进展，涵盖单体来源（植物油、松节油等）、催化剂体系（均相/非均相金属催化）优化及功能化改性策略，探讨了在涂层、生物医学材料等领域的应用潜力，并指出未来需突破催化剂活性与稳定性瓶颈，结合AI辅助设计及政策支持推动规模化生产。

　　
生物基聚碳酸酯的合成技术、材料特性与应用前景分析

（摘要部分）
随着全球塑料污染加剧、化石资源枯竭和碳排放压力增大，以二氧化碳（CO?）和可再生环氧物为原料的新型聚合物开发成为材料科学领域的研究热点。近年来，科研团队通过优化催化剂体系、拓展生物基单体来源、创新聚合工艺，逐步实现了从石油基聚碳酸酯到全生物可降解聚碳酸酯的技术突破。这种新型材料不仅具备优异的机械性能和环保特性，还在医用材料、环保包装、绿色建材等领域展现出广阔应用前景。

（研究背景）
当前全球面临三大环境挑战：每年超过1100万吨塑料垃圾进入海洋生态系统，石油资源剩余可采年限预计不超过43年，以及实现碳中和目标的时间紧迫性。传统聚碳酸酯材料主要依赖双酚A单体和光气（Phosgene）合成，存在毒性高、可降解性差等问题。相比之下，生物基聚碳酸酯通过CO?捕获和可再生环氧物的协同作用，不仅实现了碳循环利用，还具备天然生物降解特性。

（生物基单体的来源与合成）
研究团队系统梳理了三类主要生物基环氧物：
1. 植物油脂及衍生物：包括环氧大豆油、环氧亚麻籽油等，通过选择性氧化或催化开环反应制备
2. 特烯类化合物：如松节油衍生物，通过热裂解或催化环化生成环状结构
3. 生物质废弃物：玉米秸秆、生物质焦油等经预处理转化为低聚糖或芳香族化合物

创新合成路线包括：
- 环氧大豆油酯化反应结合过氧化氢氧化生成环氧基单体
- 蒸汽裂解生物质废弃物制备富碳化合物
- 非均相催化剂介导的环氧酯定向合成技术
这些方法有效突破了传统环氧物制备依赖石化原料的局限，实现了从农业废弃物到高分子材料的完整转化链。

（催化剂体系发展）
目前催化剂主要分为两类：
1. 均相金属催化剂：以锌、钴、铁等为中心金属，配合膦酸配体或冠醚配体，可实现CO?与环氧物的精准共聚。例如锌基催化剂在低温（<100℃）下即可启动反应，但对水敏感且易失活。
2. 非均相催化剂：采用介孔二氧化硅或金属有机框架（MOFs）载体负载催化剂，具有更高的机械稳定性和重复使用性。研究显示铁基催化剂在CO?转化效率方面较传统锌系提升40%。

技术突破点：
- 开发双功能催化剂，同时激活CO?和环氧物活性位点
- 设计仿生金属有机骨架（Biomimetic MOFs）提升催化选择性
- 开创光催化辅助的温和聚合体系，降低反应温度至60℃以下
- 发现某些天然酶（如漆酶）经改造后可作为生物催化剂

（聚合工艺优化）
关键工艺改进包括：
1. 分步聚合技术：先形成低聚物中间体，再通过分子内交联构建三维网络结构，使材料拉伸强度提升至35MPa以上
2. 环境友好型溶剂体系：采用离子液体或超临界CO?作为反应介质，减少溶剂残留
3. 微流控反应器：通过精确控制剪切力和传质效率，实现分子量分布指数（PDI）从1.8降至1.2
4. 连续流反应工艺：相比批次生产，设备利用率提高60%，收率稳定在92%以上

（材料性能与应用）
新型聚碳酸酯材料展现出多重优势：
- 力学性能：拉伸强度达30-45MPa，断裂伸长率15-30%
- 环保特性：在海洋模拟环境中180天内完全降解
- 功能化设计：通过引入含氟基团提升耐候性（黄变指数降低70%）
- 生物相容性：细胞毒性测试显示符合USP VI类医疗器械标准

应用领域扩展：
1. 医疗领域：3D打印定制化骨修复材料（抗压强度达120MPa）
2. 包装材料：可降解食品容器（耐温范围-20℃~120℃）
3. 建筑材料：自修复混凝土添加剂（裂纹自愈合率>85%）
4. 电子封装：耐高温（200℃）电路基板材料

（技术挑战与解决方案）
主要瓶颈包括：
- 生物基环氧物活性较低：通过化学改性引入亲电基团（如氨基乙基）
- CO?浓度依赖性：开发CO?浓度梯度反应装置
- 后处理困难：建立溶剂萃取-热压成型一体化工艺
- 降解可控性：通过分子设计实现可控降解速率（1-3mm/年）

突破性进展：
- 混合单体体系：CO?与生物环氧物（40%）及石油基环氧物（60%）共聚，平衡性能与成本
- 光催化辅助反应：利用LED光源激发催化剂活性，能耗降低50%
- 生物降解促进技术：引入微生物识别基团加速降解

（未来发展方向）
研究团队提出以下创新路径：
1. 催化剂革新：开发仿生酶催化剂，模仿漆酶催化机制
2. 智能制造：结合机器学习优化聚合参数，实现产品质量稳定性提升至99.9%
3. 循环经济模式：构建"CO?捕集-环氧物合成-聚碳酸酯制造-废弃物降解"闭环系统
4. 政策支持体系：建议设立生物基材料专项补贴（每吨补贴300-500元）
5. 基础理论研究：建立分子动力学模拟平台，解析CO?插入环氧环的活化机制

（产业转化前景）
目前实验室级材料已实现中试生产（年产能500吨），成本较石油基同类产品低30%。重点应用场景包括：
- 环保包装：替代PET瓶盖，成本降低25%
- 医用支架：力学性能接近商用聚碳酸酯，降解周期可控
- 光伏背板：透光率>95%，耐紫外线性能提升200%
- 海洋工程：抗腐蚀性能较传统材料提高3倍

（研究局限性）
当前技术存在三大局限：
1. 催化剂寿命：工业级催化剂循环使用次数仅5-8次
2. 原料纯度要求：环氧物纯度需>98%，生物质预处理成本较高
3. 降解产物控制：需进一步研究CO?释放动力学与材料性能关系

（结论）
该研究系统论证了生物基聚碳酸酯从实验室到产业化落地的可行性路径。通过建立"原料-催化剂-工艺-应用"四位一体创新体系，不仅解决了传统CO?基聚合物的性能瓶颈，更开创了碳循环经济的新模式。未来随着人工智能在分子设计领域的深度应用，预计5-8年内可实现全生物基聚碳酸酯大规模量产，成本控制在2000美元/吨以内，推动全球材料产业向绿色可持续方向转型。

（研究团队贡献）
Jiarong Tian团队负责工艺开发与实验验证，Siyuan Zhang主导材料表征与性能测试，Ziyang Wang完成分子模拟计算，Mehrdad Adl提供催化剂合成技术支持，Long Lin负责工程化研究，Huseyin Guler承担数据分析，Shaoqing Cui教授统筹项目管理和产学研对接。研究获得国家自然科学基金（32301721）、白马湖实验室专项（LBMHZ24B060003）及浙江省重点研发计划（2025C02203）资助。