Fabrication of Multidimensional Sustainable Materials from Wood via Alkaline Periodate Oxidation

von Ting Yang
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2024-01-11
Erschienen:2024-01-22
Betreuer:Prof. Dr. Kai Zhang
Gutachter:Prof. Dr. Kai Zhang
Gutachter:Prof. Dr. Carsten Mai
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10300

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Producing multidimensional sustainable materials from wood using alkaline periodate oxidation (APO) is a promising path toward new materials that take advantage of the inherent properties of wood and the environmentally friendly characteristics of the oxidation process. The present work investigates and uses innovative methods to synthesize materials ranging from one-dimensional nanocellulose to three-dimensional ordered microporous honeycomb structures. The primary focus was directed toward one-dimensional (1D) materials, specifically periodate oxidized cellulose nanofibers (PO-CNFs) and cellulose nanocrystals (PO-CNCs), synthesized from native Spruce and Beech woods utilizing the APO technique. The resultant nanocellulose content derived from Spruce and Beech exhibited a noticeable upward trend in reaction time, reaching 1.35 ± 0.20 and 1.24 ± 0.10 mmol g -1 after a 7-day oxidation period. Both PO-CNFs and PO-CNCs produced transparent films with excellent mechanical properties. The investigation systematically delved into the surface characteristics of these nanocellulose-based materials, which provided comprehensive insight into the details of the APO process. Expanding into the two-dimensional (2D) realm, an ion-selective wood membrane (ISWM) was developed through APO, demonstrating efficient osmotic energy capture. The aligned nanofibers and nanopores of the membrane enabled selective ion transportation, yielding an impressive power density under a salinity gradient of KCl. The research investigated the synthesis process and explored practical applications, emphasizing osmotic energy capture. The investigations were directed towards three-dimensional (3D) structures, emphasizing the fabrication of sustainable porous scaffolds derived from wood biomass.These scaffolds are made from alkaline periodate-oxidized wood (POW) as the fundamental substrate and preserved lignin as an additive for light absorption. The inherent porosity of the POW framework imparted good dimensional stability and effectively mitigated potential liquid leakage, typical of phase change materials (PCMs). Furthermore, the structural composition resulted in remarkable properties for photothermal energy conversion. Notably, the POW/PCM composites exhibited a noteworthy capacity for sustaining a consistent indoor temperature when strategically positioned on the roof of a model house. This distinctive attribute underscored the considerable potential of these composites for practical applications in the thermal regulation of intelligent buildings. The method proved to be economical and environmentally friendly, aligning with the principles of sustainable materials preparation. This thesis is a cumulative work comprising three publications that contribute significantly to understanding wood-based materials synthesis through APO, offering novel insights and ways for future research in sustainable materials fabrication. All papers were submitted to peer-reviewed journals; two have already been published, and one is under review. Sections 1- 4 present the background, the study's objective, results, discussion of the three publications, and conclusion.
Keywords: Alkaline Periodate Oxidation; Wood; nano cellulose; thermal energy; photothermal conversion; salt differential energy

Deutsch

Die Herstellung mehrdimensionaler nachhaltiger Materialien aus Holz mittels alkalischer Periodatoxidation (APO) ist ein vielversprechender Weg zur Herstellung neuer Materialien, der sich die besonderen Eigenschaften von Holz und die umweltfreundlichen Eigenschaften des Oxidationsprozesses zunutze macht. Diese Arbeit untersucht und nutzt innovative Methoden für die Synthese verschiedener Materialien, die von eindimensionalen Nanozellulose bis hin zu dreidimensionalen geordneten mikroporösen Wabenstrukturen reichen. Der Schwerpunkt liegt auf eindimensionalen (1D) Materialien, insbesondere Cellulose-Nanofasern (PO-CNFs) und Cellulose-Nanokristallen (PO-CNCs), die sorgfältig aus einheimischen Hölzern der Fichte und Buche unter Verwendung der Technik der APO synthetisiert wurden. Der resultierende Nanozellulosegehalt aus Fichte und Buche zeigte einen erkennbaren Aufwärtstrend hinsichtlich der Reaktionszeit und erreicht 1,35 ± 0,20 bzw. 1,24 ± 0,10 mmol g -1 nach einer 7-tägigen Oxidations-Zeit. Sowohl aus PO-CNFs als auch aus PO-CNCs konnten transparente Filme mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herstellt werden. Des Weiteren wurden systematisch die Oberflächeneigenschaften dieser Nanozellulosematerialien untersucht und umfassende Einblicke in den APO-Prozesses ermöglicht. Bei der Erweiterung in den zweidimensionalen (2D) Bereich wurde durch APO eine ionenselektive Holzmembran (2D-Material) entwickelt, die eine effiziente osmotische Energiegenerierung ermöglichten. Die gezielt ausgerichteten Nanofasern und Nanoporen der Membran ermöglichen einen selektiven Ionentransport und führen zu einer beeindruckenden Leistungsdichte in einem System bestehend aus einem KCl Salzgehaltsgradienten. Die Arbetit befasst sich weiter mit dem Syntheseprozess und erforschte praktische Anwendungen, wobei der Schwerpunkt auf der osmotischen Energiegewinnung lag. Die Untersuchungen konzentrierten sich im weiteren Verlauf auf dreidimensionale (3D) Strukturen, wobei hier ein Schwerpunkt auf die Herstellung nachhaltiger poröser Gerüste aus Holzbiomasse gelegt wurde. Diese Gerüste aus alkalisch Periodat oxidiertem Holz (POW) als Grundsubstrat bewahrten Lignin als Zusatzstoff für die Lichtabsorption. Die inhärente Porosität des POW-Gerüsts verlieh eine gute Formstabilität und mindert die Möglichkeit eines Flüssigkeitsaustritt, der für Phasenwechselmaterialien (PCMs) typisch ist. Darüber hinaus zeigte die strukturelle Zusammensetzung bemerkenswerte Eigenschaftenbei der photothermischen Energieumwandlung. Die POW/PCM-Verbundwerkstoffe zeichneten sich besonders durch ihre beeindruckende Fähigkeit aus, eine konstante Innentemperatur zu bewahren, wenn sie auf dem Dach eines Modellhauses platziert wurden. Diese besondere Eigenschaft unterstreicht das erhebliche Potenzial dieser Verbundwerkstoffe für praktische Anwendungen bei der Wärmeregulierung intelligenter Gebäude. Das Verfahren erwies sich als wirtschaftlich und umweltfreundlich und entspricht den Prinzipien einer nachhaltigen Materialfertigung. Diese Dissertation ist eine kumulative Arbeit, die drei Veröffentlichungen umfasst, die wesentlich zum Verständnis der Synthese holzbasierter Materialien durch APO beitragen und neue Erkenntnisse und Wege für zukünftige Forschung in der nachhaltigen Materialherstellung bieten. Alle Beiträge wurden bei peer-reviewten Fachzeitschriften eingereicht; zwei sind bereits veröffentlicht und ein weiteres befindet sich unter Begutachtung. Der Hintergrund, das Ziel der Studie, die Ergebnisse, die Diskussion der drei Publikationen und das Fazit werden in den Abschnitten 1-4 dargestellt.
 
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