无溶剂法将木质素转化为高性能室温磷光材料：可持续生物质资源的光学应用新突破

编辑推荐：针对生物质资源高值化利用难题，东北林业大学团队开发了一种基于2-羟基乙基丙烯酸酯(HEA)和氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯(UDMA)的无溶剂体系，通过氢键作用和光引发聚合将木质素转化为寿命达202.9 ms的室温磷光(RTP)材料，并实现TS-FRET能量转移调控发光颜色。该技术突破了传统溶剂法能耗高、稳定性差的瓶颈，为生物基光学材料的大规模制备提供了新范式。

　　在追求碳中和的时代背景下，如何将每年全球造纸业产生的6000-7000万吨木质素副产品转化为高附加值材料，成为可持续化学领域的重要挑战。传统木质素室温磷光(RTP)材料制备依赖水溶液或离子液体溶剂，存在能耗高、工艺复杂且产物易受湿度影响的缺陷。东北林业大学陈志俊团队联合英国巴斯大学Tony D. James教授创新性地发现木质素在2-羟基乙基丙烯酸酯(HEA)单体中的异常溶解现象，由此开发出完全无溶剂的木质素转化技术。

研究团队采用紫外光电子顺磁共振(ESR)证实木质素光生自由基引发HEA/UDMA聚合的机制，通过二维相关光谱(2D COS)和密度泛函理论计算揭示木质素与HEA间-60.62 eV的强氢键作用。所得木质素-聚合物复合材料(Lig-Poly)展现52.8 MPa拉伸强度和68°C玻璃化转变温度，其RTP寿命达202.9 ms且在90%湿度或水中保持稳定。通过引入罗丹明B(RhB)构建三重态-单重态荧光共振能量转移(TS-FRET)体系，成功实现从绿色到红色余辉的精准调控，能量转移效率达30.4%。

关键技术创新包括：1) 利用时间门控光谱技术验证TS-FRET机制；2) 动态机械分析(DMA)表征材料刚性化过程；3) 接触角测试解析湿度稳定性机理；4) 光固化3D成型技术制备复杂形状器件。

主要研究发现：

1. 木质素-HEA相互作用机制
   • FT-IR显示3415 cm^-1处氢键特征峰增强
   • 2D HSQC NMR证实木质素酚羟基与HEA双键的共价交联
   • 理论计算表明木质素-HEA结合能(-60.62 eV)显著高于UDMA(-49.31 eV)

2. RTP性能调控
   • 紫外固化30分钟使RTP寿命达到平衡态(202.9 ms)
   • 交联密度提升使材料硬度达203.57 MPa
   • 表面羟基网络形成使接触角稳定在41.6°

3. 颜色可调性应用
   • RhB掺杂实现167.7 ms红色余辉
   • 选择性激发实验排除再吸收假说
   • 制备双色磷光二维码和药物防伪标签

该研究的意义在于：首次实现完全无溶剂的生物基RTP材料制备，突破传统方法对挥发性溶剂的依赖；开发的TS-FRET颜色调控策略为多色磷光材料设计提供新思路；光固化工艺与热成型兼容性使其在3D打印光学器件领域具有应用潜力。正如作者指出，这种兼具可持续性和功能性的材料体系，有望推动生物质资源在柔性电子、智能包装等领域的产业化应用。