本研究由Xugang Dang、Peng Liu、Mao Yang、Hangxia Deng、Zhihua Shan和Wenjuan Zhen共同完成，作者单位包括四川大学生物质科学与工程学院（国家皮革清洁生产工程实验室、皮革化学与工程教育部重点实验室）、齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工科学与工程学院以及成都体育学院运动医学系。研究成果发表于期刊《Cellulose》2019年12月刊（Volume 26, pages 9503–9515）。
学术背景
纤维素（cellulose）作为全球最丰富的可再生天然高分子聚合物，具有价格低廉、机械性能优良、可生物降解及生物相容性等特性，是制备功能性材料的理想原料。然而，纤维素的高结晶度和分子间强氢键作用限制了其可及性，导致传统氧化方法（如高碘酸钠氧化）需消耗大量氧化剂且反应效率低。本研究旨在开发一种绿色、高效、低成本的二醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC）制备方法，通过电化学辅助系统实现高碘酸盐的再生利用，解决传统工艺中氧化剂浪费和反应效率低的问题。
研究流程
预处理阶段
- 超声预处理（MCC-1）：将微晶纤维素（microcrystalline cellulose, MCC）溶于蒸馏水，在35°C、500W功率下超声处理20分钟。
- 碱预处理（MCC-2）：将MCC置于5% NaOH溶液中，35°C搅拌2小时。
- 对照组（MCC-0）：未经处理的原始MCC。
氧化阶段
- 常规氧化：将预处理后的MCC与高碘酸钠溶液（1:1摩尔比）在pH=3、30°C条件下反应5小时，产物经离心、冷冻干燥得到DAC-0、DAC-1和DAC-2。
- 电化学辅助氧化（DAC-E）：将MCC-2置于电解槽阳极室，以铂板为阳极、铂网为阴极，在0.075 A/cm²电流密度、0.6 mol/L高碘酸钠浓度下反应30分钟。电解后溶液继续氧化5小时，最终产物为DAC-E。
表征与分析
- 醛基含量测定：采用盐酸羟胺滴定法计算醛基含量（单位：/AGU）。
- 结构表征：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测羰基特征峰（1729 cm⁻¹），X射线衍射（XRD）分析结晶度变化，扫描电镜（SEM）观察表面形貌。
- 性能测试：测定水溶性指数（water solubility index, WSI）和水保留值（water retention value, WRV）。
主要结果
- 预处理影响：碱处理（MCC-2）显著提高纤维素的WSI（81%）和WRV（12%），超声处理（MCC-1）对结晶度影响较小但能增加醛基含量。
- 电化学氧化优势：DAC-E的醛基含量达1.402/AGU，转化率70.1%，高于常规方法（DAC-2为1.218/AGU）。高碘酸盐再生效率达93.4%，且可循环使用3次后仍保持67.9%的再生效率。
- 结构变化：XRD显示DAC结晶度显著降低，SEM显示DAC-E表面粗糙且颗粒团聚，FTIR证实羰基峰强度随氧化程度增加而增强。
结论与价值
本研究首次将电化学辅助系统应用于DAC制备，通过高碘酸盐原位再生实现了绿色可持续的纤维素氧化。该方法不仅降低了成本（减少氧化剂用量），还提高了产物性能（醛基含量和溶解性），为纤维素基功能材料（如食品包装、生物医用材料）的开发提供了新思路。
研究亮点
- 创新方法：电化学辅助氧化系统设计，实现高碘酸盐高效再生。
- 性能优化：DAC-E的醛基含量和转化率优于文献报道的臭氧处理法（Koprivica et al., 2016）和TEMPO氧化法（Ruan et al., 2016）。
- 应用潜力：DAC的活性醛基可进一步衍生化（如与胺类反应生成希夫碱），拓展其在吸附材料、药物载体等领域的应用。
其他价值
研究还发现，电化学氧化可能导致DAC-E颜色灰化，推测与电化学反应副产物有关，未来需进一步分析其成分影响。此外，碱预处理对纤维素溶胀的促进作用为其他纤维素改性研究提供了参考。