介质阻挡放电高效解聚棉纤维素的结构演化机制与绿色预处理策略

针对高聚合度纤维素化学惰性强、传统解聚方法效率低且污染大的问题，研究人员采用介质阻挡放电(DBD)系统实现棉纤维素高效解聚（聚合度降低81.5%），揭示活性氧物种(H2O2/O3/•OH等)攻击β-(1,4)糖苷键的机制，在保留纤维素主结构前提下显著降低结晶度（15.4%），为生物质资源化提供绿色预处理新方案。

　　

纤维素作为生物质的主要成分，因其高达50-2500 kDa的分子量和稳定结构，成为生物能源和化学品开发中的"顽固分子"。传统酸/碱水解和热降解方法不仅效率低下，还伴随着高能耗和二次污染的风险。如何在不破坏纤维素骨架的前提下实现温和高效解聚，一直是生物质转化领域的"卡脖子"难题。宁夏自然科学基金支持的研究团队独辟蹊径，将介质阻挡放电(DBD)这一新兴等离子体技术引入纤维素处理领域，在《Polymer Degradation and Stability》发表的研究成果揭示了放电等离子体这把"分子剪刀"的精准剪切机制。

研究团队采用放电电压调控、电子顺磁共振(EPR)和X射线衍射等关键技术，系统考察了DBD处理对棉纤维素聚合度、结晶度和化学结构的影响。通过分析活性氧物种(ROS)的组成与作用，结合形貌特征和热稳定性变化，构建了纤维素解聚的动力学模型。

Depolymerization performance
在12 kV最佳放电电压下，棉纤维素聚合度(DP)从初始2329骤降至430，降幅达81.5%。电镜显示处理后纤维素呈现明显碎片化，表面粗糙度增加，热重分析表明其热稳定性显著降低。

Structural characterization
XRD证实纤维素结晶度下降15.4%，但FTIR光谱显示β-(1,4)糖苷键特征峰未发生位移，表明DBD处理主要破坏无定形区。EPR检测到•OH、O₂•^?等自由基信号，证实活性氧物种是解聚的主要驱动力。

Mechanism analysis
研究人员提出三级解聚模型：DBD产生的¹O₂优先氧化纤维素表面基团，随后O₃和H₂O₂协同攻击糖苷键，最终•OH自由基引发链式断裂反应。值得注意的是，该过程仅释放微量单糖和醇类副产物，保留了纤维素骨架完整性。

这项研究的意义在于开创了等离子体技术在生物质精炼中的应用新范式。相较于需要金属催化剂的高温氧化法，DBD在常温常压下即可实现纤维素高效解聚，且无需添加化学试剂。Chenjiao Wang等发现的处理后材料表面特性改变，为后续酶水解或化学转化创造了有利界面条件。Tiecheng Wang团队强调的"选择性解聚"特性，使得该方法在制药级纤维素衍生物制备中具有独特优势。该技术有望推动生物炼制过程向绿色化、低能耗方向跨越式发展，为"双碳"目标下的生物质高值化利用提供关键技术支撑。