生物質新材料研發與制備技術叢書--木質納米環境凈化功能材料制備技術
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叢 書 名：生物質新材料研發與制備技術叢書
《木質納米環境凈化功能材料制備技術》以木質資源的可持續發展和高值轉化新型功能性材料為主線，全面闡述了高值化利用木材的基礎理論與原理、主要方法以及制備木質納米功能材料的關鍵技術與機制，注重與多學科領域涉及的前沿科學問題進行交叉論述，其中以木質基碳點和木材仿生催化劑在環境凈化方面的研究為特色。本書可供國內高等院校相關專業的師生及科研院所木材科學與技術、化學工程、材料工程、環境科學與工程等領域的科研人員參考。
隨著碳達峰和碳中和日期的不斷臨近，作為大型碳匯材料的木材，使用量不斷增加，而且，其功能化和高附加值化程度不斷提升。本叢書由東北林業大學李堅院士團隊共同編寫，結合國家科技進步獎等相關科研成果，詳細介紹了木材等生物質材料的高效化和高附加值化綜合利用的先進技術，對相關行業的材料設計與制備有明顯指導價值。
林業是國民經濟的重要組成部分之一，具有與其他行業不同的特點與功能。隨著化學工業技術的迅速發展，林業工程的研究范疇也得到了擴展，整體特點為多學科交叉、外延以及向新領域的滲透。木材是一種可再生的生物資源，木質資源的高效利用和可持續發展極其重要，直接關系到我國國民經濟、環境和社會的各個方面。本書的特點就是林業工程與現代化工的完美融合和相互促進，包括研究木質資源的開發利用、木質納米材料加工理論與技術等方面。 本書共7章，主要內容包括三部分：一是木材納米技術的新應用，涉及木材納米技術的概述、發展歷史及其在工業領域的最新進展，包括紙漿和紙、木質納米復合材料、木質納米涂料、木材納米防腐劑等的制備技術與應用研究，尤其是在能源和傳感器等領域的最新研究進展；二是利用木質成分制備功能材料的關鍵技術，首先對木材的化學成分進行了較全面的介紹，接著闡述了木材的綠色高效預處理技術，包括微波輻射、超臨界流體、離子液體等方面，還涉及由纖維素、半纖維素和木質素衍生各種功能材料的關鍵技術和最新進展，尤其是木質基碳點研究，包括先進的綠色化學制備技術、發光功能以及環境凈化功能的研究進展，這部分是本書的特色和重點之一；三是木材仿生技術，涉及仿生材料設計的基本原則、木材的微納米結構以及木材結構的調控技術等，包括脫木素、自上而下組裝策略、致密化和填充等，還涉及木材仿生與智能響應材料的制備技術、研究進展和應用前景等，包括多孔材料、復合材料和透明木材等新材料及其在信號和傳感、生物醫學、能源等領域的應用研究，其中以木材模板技術為重點，包括納米氧化物材料在吸附、光催化制氫、能量儲存、藥物載體、傳感器等方面的應用進展，尤其是木材仿生催化劑的制備技術、木材模板技術對催化劑形貌、結構、性能以及環境凈化功能的調控和機制研究，這部分也是本書的特色和重點之一。 本書的內容經過了幾年時間的積累，得到了國家自然科學基金木材/g-C3N4多尺度遺態結構的形式與光致凈化機制（編號：31971587）的資助。在編寫過程中得到了研究團隊許多本科生和研究生的支持，包括全書的插圖繪制與書稿整理等工作，在此對團隊成員的付出表示感謝！ 由于經驗、學識和水平有限，書中不足之處懇請讀者和同行批評指正！ 編著者 2022年3月1日
高杏，女，1989年生，博士。現為哈爾濱體育學院講師、碩士研究生導師。博士畢業于東北林業大學，在讀期間從事木材科學與技術領域的研究工作，目前研究內容主要包括生物質復合材料的制備及其在體育中的應用等方面。目前共發表學術論文20余篇（其中SCI收錄20篇），申報國家發明專利2項，授權實用新型專利5項。參與了國家自然科學基金、國家重點研發計劃課題研究任務等研究工作，現主持黑龍江省博士后基金、黑龍江省自然科學基金項目的研究工作。郭明輝， 1964年生，博士。國家重點學科木材科學與技術學科帶頭人，現為東北林業大學二級教授、博士生導師，中國林學會木材科學分會理事長、中國木材標準化委員會委員，國家和省級各類科研項目立項和評獎項目的評審專家。一直從事木材科學與技術領域教學和科研工作，其研究內容主要包括木材碳學、生物質復合功能材料以及木材表面改性等方面。2014年和2008年享受國務院和黑龍江省政府特殊津貼。2002年獲中國高校科技進步獎一等獎、第七屆中國林業青年科技獎，2004年獲國家科技進步二等獎，2006年、2010年及2021年獲省部一等獎、二等獎各2項。2011年獲得黑龍江省教學名師稱號，2019年和2022年獲得黑龍江省教學成果一等獎和特等獎，2021年獲得國家課程思政示范課程及教學名師，2015和2013年主持并主講木材學、木材與人類生活兩門課程的國家精品資源共享課程。先后發表學術論文200余篇（被SCI收錄的學術論文有72篇），出版專著十余部。
1環境凈化1 1.1水污染凈化1 1.1.1染料廢水的危害及處理2 1.1.2光催化技術6 1.2大氣污染凈化12 1.2.1氮氧化物的危害及處理12 1.2.2選擇性還原脫硝技術15 參考文獻21 2循環經濟中的木材25 2.1木材工業化的環境問題27 2.2木質纖維素廢料作為能源和燃料的可持續原料28 2.2.1以生產2G生物乙醇為研究案例30 2.2.2以GVL的生產流程為研究案例32 2.3對木質纖維素廢料的經濟與環境關注33 參考文獻34 3納米技術在木材中的新應用37 3.1木材納米技術簡介37 3.2紙漿和紙制備技術39 3.2.1納米纖維素39 3.2.2納米纖維素作為濕或干強度劑40 3.2.3從纖維素到納米纖維素41 3.2.4納米纖維素作為阻隔性能的涂層材料43 3.2.5納米材料作為改善性能的保留劑43 3.2.6納米填料用于增強性能43 3.2.7納米材料作為改善性能的施膠劑44 3.3木質納米復合材料制備技術44 3.3.1納米纖維素作為增強材料46 3.3.2納米粒子用于增強人造板性能51 3.4木材納米涂料制備技術53 3.4.1納米添加劑用于提高耐久性53 3.4.2納米添加劑用于改善吸水率54 3.4.3納米添加劑用于改善機械性能55 3.4.4納米添加劑用于改善紫外吸收56 3.4.5納米添加劑用于改善阻燃性能57 3.5木材納米防腐劑制備技術57 3.5.1納米包裹用于增強殺菌力58 3.5.2金屬納米粒子浸漬用于耐久性增強59 3.6納米纖維素制備能源裝置61 3.6.1納米纖維素制備太陽能材料62 3.6.2納米纖維素制備導電材料62 3.6.3納米纖維素制備儲能材料63 3.6.4納米纖維素基紙制備電子器件65 3.7納米纖維素基復合材料制備傳感器66 3.7.1生物傳感器68 3.7.2化學傳感器70 3.7.3電化學傳感器71 參考文獻72 4木質成分衍生新型功能材料79 4.1木質纖維素生物質79 4.1.1纖維素組成與結構80 4.1.2半纖維素組成與結構81 4.1.3木質素組成與結構82 4.2木質纖維素衍生功能材料83 4.3綠色高效的預處理技術85 4.3.1微波輻射85 4.3.2超臨界流體預處理87 4.3.3超聲波輻射89 4.3.4電場預處理91 4.3.5水力空化91 4.3.6離子液體預處理93 4.4木質素衍生功能材料95 4.4.1碳基材料95 4.4.2吸附劑99 4.4.3染料分散劑100 4.4.4生物塑料101 4.4.5氣凝膠103 4.4.6生物醫學應用104 4.5纖維素衍生功能材料104 4.5.1纖維素基離子液體105 4.5.2功能性復合材料107 4.5.3吸附材料108 4.5.4碳材料109 4.6半纖維素衍生功能材料110 4.6.1生物醫學110 4.6.2藥物載體111 4.6.3薄膜112 參考文獻114 5木質基碳點水污染凈化功能121 5.1碳點的概述121 5.2木質基碳點制備技術123 5.2.1天然生物質原料123 5.2.2生物質基碳點制備技術124 5.2.3生物質基碳點的形成機理128 5.2.4木質基碳點研究現狀129 5.3木質基碳點制備技術131 5.3.1傳統制備技術132 5.3.2先進的綠色化學制備技術134 5.4木質基碳點的發光功能136 5.4.1生物成像136 5.4.2生物傳感138 5.5木質基碳點的環境凈化功能142 5.5.1碳點的光催化應用143 5.5.2提高碳點光催化功能的調控技術144 5.5.3木質基碳點復合材料水污染凈化功能147 5.5.4木質基碳點異質結復合材料水污染凈化功能160 5.5.5木質基碳點復合材料性能調控技術170 5.6綠色碳點的生產及應用挑戰178 參考文獻180 6木材仿生與智能響應材料制備技術187 6.1仿生材料設計的基本原則188 6.2木材的微納米結構189 6.3木材結構的調控技術191 6.3.1自上而下和自下而上調控方法191 6.3.2脫木素調控方法192 6.4木材多層次結構的獨特功能194 6.4.1自上而下組裝策略198 6.4.2致密化200 6.4.3填充200 6.5木材結構衍生新型功能材料201 6.5.1木材-聚合物復合材料201 6.5.2木材-礦物和木材-金屬混合物203 6.5.3透明木材205 6.5.4木材表面利用和功能化206 6.5.5多孔材料208 6.6木材結構中離子傳輸行為211 6.6.1離子傳輸行為的基本概念212 6.6.2木材結構中的離子傳輸行為212 6.6.3離子傳輸的調控技術213 6.7仿生木材離子傳輸的新興材料216 6.7.1木材水凝膠217 6.7.2信號和傳感設備220 6.7.3生物醫學設備223 6.7.4能源設備224 6.7.5水污染處理設備227 6.8木材結構功能化應用前景與挑戰231 參考文獻234 7木材仿生材料環境凈化功能239 7.1模板法制備技術239 7.1.1無機模板法240 7.1.2有機模板法242 7.1.3生物模板法243 7.2木材模板制備技術247 7.2.1木材模板技術路線248 7.2.2木材模板技術面臨的挑戰250 7.2.3木材模板技術的優勢252 7.3模板技術制備納米氧化物功能材料252 7.3.1吸附劑253 7.3.2光催化制氫材料255 7.3.3能量儲存材料255 7.3.4藥物載體256 7.3.5傳感器257 7.3.6光催化材料257 7.4木材仿生催化劑環境凈化功能260 7.4.1木材仿生光催化劑水污染凈化功能264 7.4.2木材模板光催化劑的應用前景及挑戰272 7.4.3木材仿生脫硝催化劑大氣污染凈化功能273 參考文獻290
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