近期，北京林业大学许凤教授团队/湖北工业大学冯清华副教授团队合作，创新性地提出了一种有别于传统“脱木质素（delignification）”制备透明木材路线的木质素富集策略，成功制备出具有独特近红外选择性的木基光学材料。

  2025年11月25日，该成果以“A lignin-enrichment approach for processing natural wood into highly NIR-selective optical filters”为题，发表在《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-66639-2）。本工作由许凤教授和冯清华副教授共同担任通讯作者；2024级博士研究生余诗旭和2022级博士研究生胡愈诚为共同第一作者，两人均在冯清华副教授指导下完成硕士阶段学习，目前在许凤教授课题组攻读博士学位。

  与传统制备透明木材的思路不同，作者反其道而行，在不刻意脱除木质素的前提下进一步提高木材中的木质素含量，将天然木材加工为具有高近红外选择性的木基滤光片（wooden filters）。该工艺流程简便：首先将天然木材置于一定浓度的木质素/乙酸溶液中蒸煮，在软化细胞壁的同时，使木质素溶液充分渗透进木材多孔结构以显著提高木材中木质素的含量；随后在清洗乙酸的过程中，富集的木质素自发组装并固定于木材的微结构中，最后结合热压工艺对木材进行致密化处理，即可获得wooden filters（图1）。

图1 Wooden filters的制备原理及其光学特性

  结构演变分析（图2）表明，通过木质素富集（lignin enrichment）策略，细胞壁结构被有效软化，大量木质素重新沉积并填充于木材的多孔结构中，使木质素含量由天然木材的约~20%提升至约~35%。在此基础上，后续的致密化过程能够更加充分地压缩木材孔隙，并由富集的木质素实现紧密黏合作用。由此获得的wooden filters不仅具有高度致密的内部结构，同时还拥有平整光滑的表面，为实现高近红外透过率奠定了必要的结构基础。值得注意的是，该工艺并未对纤维素的结晶结构以及木材天然的各向异性造成显著影响。

图2 从天然木材到wooden filter的结构演变

  通过对木质素化学变化的分析（图3）可以看出，在致密化过程中，高温作用会破坏木质素中的β–O–4结构单元，伴随生成更多羟基，尤其是酚羟基。这些新增羟基有利于增强wooden filters内部的分子间相互作用。同时，热压后木质素苯环上的可反应位点数量减少，说明部分芳环可能参与了木质素的自键合（self-bonding）；这一推断也得到了分子量增加（GPC）以及C–C键比例提升（XPS）等结果的支持。进一步的ESR测试表明，在高温条件下，木质素分子会持续生成酚氧自由基，这些自由基可以通过共振形成多种活性中间体，并进一步发生self-bonding。得益于这一系列化学变化，wooden filters最终形成了致密且稳定的结构。

图3 Wooden filters制备过程中木质素分子作用机制

  Wooden filters之所以具备高近红外选择透过性，除了得益于其致密的内部结构和平整的表面外，更关键的一点在于木质素本身具有对紫外–可见光的选择性吸收能力。传统透明木材通常通过脱除（或改性）木质素并对木材进行致密化处理，这一思路虽然能够显著提高可见光透过率，却难以赋予木基光学材料优异的近红外选择性。相比之下，木质素富集策略使wooden filters同时获得了出色的紫外–可见光屏蔽能力和高近红外透过性：它们几乎可以完全屏蔽600 nm以下的光，同时在近红外波段的透过率可超过80%。这种独特的近红外选择性是以往木基光学材料所不具备的，并且在本工作中表现出良好的可调控性和体系普适性（图4）。除了优异的光学特性外，wooden filters还展现出出色的综合性能，尤其是在阻隔性能方面，能够有效防止水以及其他液体的渗透（图5）。

图4 Wooden filters独特的近红外选择透过性

图5 Wooden filters的综合性能

  鉴于wooden filters独特的近红外选择性透过特性，其可用于从太阳辐射中“筛选”并分离近红外光。当太阳光穿过滤光片后，仍有~78%的近红外光得以保留。在由氙灯与聚光镜搭建的高强度模拟太阳光条件下（6000 W/m²），wooden filters在一小时照射内表现出优异的稳定性，并能有效阻隔多余热量，使照射皮肤的温度始终维持在约37°C。凭借上述特性，wooden filters在太阳辐射驱动的近红外光疗等应用场景中展现出良好潜力；同时也为再生林木生物质资源与太阳能资源的协同利用提供了新思路，有望在推动可持续发展与促进人类福祉方面发挥积极作用。

图6 Wooden filters用于太阳近红外辐射选择性收集

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66639-2

通讯作者介绍：

  许凤，北京林业大学教授，国家杰青，长江学者奖励计划特聘教授，国务院政府特殊津贴获得者，国家“万人计划”领军人才，担任林木生物质化学北京市重点实验室主任、纤维素协会学术委员会委员、国际木材科学院Fellow、爱思唯尔中国高被引学者、Industrial Crops and Products与Cellulose等SCI期刊编委。主要从事生物质组分清洁分离与高值化利用等研究工作。主持国家自然科学基金、国家科技支撑计划、国家重点研发计划、高等学校创新引智计划等科研基金项目。在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials、Nano Energy等SCI期刊发表论文300余篇，参编英文专著9部，主编中文专著2部，授权发明专利30余件，获教育部自然科学二等奖1项、中国轻工联合会科技进步一等奖1项、中国林学会梁希科技发明一等奖1项。

  冯清华，湖北工业大学材料与化学工程学院副教授。2012年获华南理工大学博士学位，2012年加入湖北工业大学，于2015年3月在武汉大学天然高分子与高分子物理实验室从事博士后研究工作，2023年9月在清华大学化工系任访问学者。从事生物质基材料和特种纸的研究，主要集中在木质素基滤光片和胶黏剂、云母和芳纶纸基绝缘材料。近年来，在Research、Nature Communications、Progress in Materials Science、Biomacromolecules等主流期刊上发表了多篇论文。