武汉大学资源与环境科学学院陈朝吉教授“武汉大学生物质工程与可持续利用实验室（X-BiomassLab）”聚焦生物质资源，特别是农林废弃生物质资源的绿色低碳转化与高值利用，以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。过去三周，实验室在生物质基功能材料研究方面取得一系列成果，连续在Nature Communications（《自然·通讯》）、Advanced Materials（《先进材料》）（2篇）、Science Bulletin（《科学通报（英文版）》）发表。Nature Communications：基于木质素非共价网络构建兼具极端环境适应性和生物相容性的强韧超分子有机水凝胶天然承重材料如肌肉和软骨具有出色的力学性能。然而，在合成材料中实现优异的生物相容性、极端环境适应性和卓越的力学性能仍是一个挑战。陈朝吉团队联合南京林业大学金永灿教授团队采用“自下而上”的策略构建了由壳聚糖、木质素磺酸盐和明胶组成的超分子有机水凝胶。这种水凝胶表现出极佳的可压缩性、抗疲劳性、极端环境适应性、生物相容性和可回收性。研究显示该水凝胶具有显著的抗压强度（54 MPa）和韧性（3.54 MJ/m³），并展示了优秀的自我恢复能力和抗疲劳特性。相关研究成果近日以题为“Compressible, Anti-Fatigue, Extreme Environment Adaptable, and Biocompatible Supramolecular Organohydrogel Enabled by Lignosulfonate Triggered Noncovalent Network”发表于综合性期刊Nature Communications，南京林业大学博士生/武汉大学联培生谷一辉、武汉大学博士后徐超为论文共同第一作者，陈朝吉与南京林业大学金永灿教授、姜波副教授为共同通讯作者。![]()
图1. 壳聚糖-木质素磺酸盐-明胶超分子有机水凝胶的构建与优势Advanced Materials：超分子尺度亲水性调控助力纳米纤维素快速脱水、成型及高强、阻燃块体结构材料构筑不可再生石化资源的过度消耗及难以降解的塑料制品对环境造成巨大压力。利用生物质基新材料被视为解决方案之一。陈朝吉团队联合广东工业大学邱学青教授和华南理工大学方志强副研究员提出了一系列创新策略，包括在超分子尺度上调控亲水性以降低保水值，并通过压滤和热压模塑技术制造出轻质高强度的大块材料。研究还全面评估了这些材料的多种性能，包括力学性能、水稳定性等。相关研究成果近日以题为“Supramolecular Scale Hydrophilicity Regulation Enabling Efficient Dewatering and Assembly of Nanocellulose into Dense and Strong Bulk Materials as Sustainable Plastic Substitutes”的论文发表在Advanced Materials上。武汉大学博士后周杰、2022级硕士生马一凡为论文共同第一作者，陈朝吉和华南理工大学方志强副研究员为论文共同通讯作者。![]()
图2. 超分子尺度亲水性调控助力实现纳米纤维素的快速脱水和构筑高性能块体结构材料Science Bulletin：水-纤维素-共聚物相互作用调节实现互连中空纤维网络增强水凝胶传统纤维增强策略存在局限性，限制了其实际应用。为解决这一问题，陈朝吉团队联合邓红兵教授与浙江大学庞震乾教授团队提出了通过互连的天然纤维网络实现多尺度协同增强水凝胶的新策略。具体方法是将聚合物网络填充到中空纤维素纤维内部和外部，并焊接纤维连接处，形成稳固界面和丰富的氢键。这种方法不仅适用于多种聚合物水凝胶，还显示出大规模工业生产的潜力。相关研究成果以题为“Super-Strong Hydrogel Reinforced by An Interconnected Hollow Microfiber Network Via Regulating the Water-Cellulose-Copolymer Interplay”发表在Science Bulletin上，陈朝吉、邓红兵和浙江大学庞震乾教授为论文共同通讯作者。![]()
图3. P(AA-AM)/Cel水凝胶的跨尺度增强构筑策略及展示Advanced Materials：探究锂离子电池生物基聚合物电解质的环境可持续性面对全球气候变迁，能源存储技术正向更加可持续的方向转型。锂离子电池在未来发展中需转向使用可再生材料。陈朝吉教授的团队与西班牙巴斯克大学的Erlantz Lizundia教授合作，筛选了几种代表性的生物基聚合物制备成锂离子电池用生物基聚合物电解质，并对其环境影响进行了量化分析。研究表明这类电解质具有较高的离子电导率和宽广的电化学稳定窗口。相关研究成果以题为“Environmental Sustainability of Natural Biopolymer-Based Electrolytes for Lithium Ion Battery Applications”的论文发表在Advanced Materials上。武汉大学2022级博士生黄京、2023级博士生王思俊为论文共同第一作者，陈朝吉和西班牙巴斯克大学Erlantz Lizundia教授为论文共同通讯作者。![]()
图4. 生物聚合物电解质从原材料到电解质设计与制备的环境影响上述研究成果受到国家自然科学基金、武汉大学高层次引进人才启动资金、武汉市知识创新专项-基础研究项目等的资助。研究也得到武汉大学科研公共服务条件平台的材料表征支撑。
陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (6篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用33,000余次，H因子98，44篇论文入选ESI高被引论文，13篇（曾）入选热点论文。![]()
