基于木質(zhì)素的多功能材料應(yīng)用研究進(jìn)展

馬明國(guó)，袁 琪

（北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083）

木質(zhì)素是自然界可再生的復(fù)雜酚類聚合物，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，富含多種活性基團(tuán)，可以進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)。工業(yè)木質(zhì)素主要來(lái)自于造紙副產(chǎn)物，來(lái)源廣泛，成分復(fù)雜，價(jià)格低廉。木質(zhì)素可以轉(zhuǎn)化為能源、化學(xué)品及功能材料，部分替代化石類產(chǎn)品[1-3]。Li等[4]利用溶劑熱法制備了具有較好熒光性能的木質(zhì)素基碳/磷酸鈰納米復(fù)合材料。Li等[5]通過(guò)有機(jī)酸萃取工藝獲得木質(zhì)素，制備出天然廣譜防曬用品?；谀举|(zhì)素得到的產(chǎn)品具有優(yōu)異的抗氧化和抗紫外線性能，因此木質(zhì)素是潛在的防曬化妝品天然原料。Liu等[6]綜述了木質(zhì)素的生物活性以及各種木質(zhì)素基復(fù)合材料在藥物、基因傳遞和生物成像中的應(yīng)用。隨著木質(zhì)素化學(xué)、預(yù)處理和加工技術(shù)的發(fā)展，木質(zhì)素的抗氧化活性、抗菌活性、生物相容性、光學(xué)性能、金屬離子螯合和氧化還原活性等諸多生物醫(yī)用性能為木質(zhì)素材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可能性。探索木質(zhì)素的功能化、資源化、高值化以及循環(huán)利用的新途徑，對(duì)生物質(zhì)行業(yè)的發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值[7-8]。

宋國(guó)勇[9]綜述了“木質(zhì)素優(yōu)先”策略下林木生物質(zhì)組分催化分離與轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展，結(jié)合苯酚單體產(chǎn)率、選擇性、木質(zhì)素脫除率及碳水化合物保留率等主要參數(shù)討論了催化劑、溶劑以及生物質(zhì)原料等對(duì)“木質(zhì)素優(yōu)先”策略的影響，并從生物質(zhì)原料適用性、催化劑成本及重復(fù)使用性、降解苯酚產(chǎn)物的分離與應(yīng)用等3個(gè)方面分析了該策略面臨的挑戰(zhàn)，展望了未來(lái)發(fā)展方向。最近，Deng等[10]從形態(tài)、微結(jié)構(gòu)和性能等方面比較了亞微米木質(zhì)素、納米木質(zhì)素和傳統(tǒng)木質(zhì)素的差異，認(rèn)為尺寸減小的納米木質(zhì)素具有顯著提高的性能和潛在應(yīng)用前景。Shi等[11]綜述了基于木質(zhì)素的碳材料的合成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，分別從碳材料、碳纖維、活性炭、多孔碳、碳量子點(diǎn)以及碳?xì)饽z等多個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)比了靜電紡絲、干紡和濕紡在制備基于木質(zhì)素的碳材料中的應(yīng)用。Ma等[12]介紹了多功能木質(zhì)素基復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)展，從木質(zhì)素水凝膠、酚醛樹(shù)脂膠黏劑、木質(zhì)素基絮凝劑和木塑復(fù)合材料4個(gè)方面進(jìn)行了歸納比較，并針對(duì)多功能木質(zhì)素基復(fù)合材料的發(fā)展提出了5個(gè)方面的建議。

在本文中，筆者簡(jiǎn)要介紹了木質(zhì)素的分離、結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)，綜述了近年來(lái)基于木質(zhì)素的多功能材料的研究進(jìn)展。從能源、環(huán)境、傳感以及碳達(dá)峰碳中和等不同方面總結(jié)了木質(zhì)素的應(yīng)用，并對(duì)存在的問(wèn)題和潛在的發(fā)展方向提出了建議，以期對(duì)木質(zhì)素的資源化、功能化和高值化利用提供借鑒和參考。

1 木質(zhì)素的分離、解聚與結(jié)構(gòu)

木質(zhì)素源自β-香豆醇、松柏醇和芥子醇3種芳香醇前體，構(gòu)成對(duì)羥苯基、紫丁香基和愈創(chuàng)木基3種非晶態(tài)無(wú)序結(jié)構(gòu)木質(zhì)素。在生物質(zhì)中，木質(zhì)素與纖維素、半纖維素之間相互連接，形成木質(zhì)素?碳水化合物復(fù)合體(Lignin-Carbohydrate Complex，LCC)。因此，木質(zhì)素的分離對(duì)拓展其應(yīng)用顯得尤為重要?，F(xiàn)有研究表明，不同生物質(zhì)種類、部位以及生長(zhǎng)情況具有不同結(jié)構(gòu)和含量的木質(zhì)素。此外，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)同時(shí)受到連接鍵和分離方法的影響，得到完全不受破壞的木質(zhì)素比較困難。一般來(lái)說(shuō)，木質(zhì)素降解后可以形成低聚物、二聚物、單體和碳水化合物等多種成分。

在木質(zhì)素降解為單體的過(guò)程中，催化劑起到至關(guān)重要的作用。Rh、Pt、Ru、Pd、Ni等一系列金屬催化劑常用于木質(zhì)素氧化合成及還原降解[13-16]。宋國(guó)勇課題組基于“木質(zhì)素優(yōu)先”降解策略，利用 Pd/C 催化劑、甲醇以及 H2催化反應(yīng)體系優(yōu)先降解生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素為酚類單體[16]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣壓力為3 039 kPa 時(shí)，在 240 ℃下反應(yīng) 4 h，木質(zhì)素酚類單體得率可達(dá) 49.8 %。此外，該課題組還利用鉬基金屬負(fù)載型催化劑催化降解木質(zhì)素，制備得到高得率和高選擇性的木質(zhì)素醇單體及其衍生物[14]。在堿體系中利用Ru/C 催化木質(zhì)素選擇性制備丙基取代產(chǎn)物和乙基取代產(chǎn)物[15]。該催化體系可以使乙基取代產(chǎn)物的單體選擇性達(dá)到44%。

木質(zhì)素的分離方法很多，一般包括硫酸鹽法、亞硫酸鹽法、燒堿法以及有機(jī)溶劑法等[17]。按照分類的不同，也可以分為堿法、酸法、有機(jī)溶劑法、離子液體法等。不同分離方法溶出機(jī)理不同，得到的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)自然差異較大，進(jìn)而對(duì)其化學(xué)性質(zhì)也影響較大。例如，通過(guò)二氧六環(huán)結(jié)合球磨的方法可以提取木質(zhì)素組分，得到原本木質(zhì)素[18]。在添加有機(jī)溶劑的情況下球磨導(dǎo)致木質(zhì)素β-O-4結(jié)構(gòu)斷裂，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生縮合反應(yīng)[19]。利用濃硫酸水解原料中的多糖，可以分離得到Klason木質(zhì)素[20]；利用濃鹽酸溶解多糖，可以分離得到鹽酸木質(zhì)素[21]；堿法處理可以分離得到較純的木質(zhì)素組分。硫酸鹽木質(zhì)素結(jié)構(gòu)變化大，亞硫酸鹽分離得到的木質(zhì)素磺酸鹽含硫量高，有機(jī)溶劑分離得到的木質(zhì)素縮合結(jié)構(gòu)少[22-23]。

木質(zhì)素分子量從幾千到幾萬(wàn)不等，呈多分散性；結(jié)構(gòu)中存在甲氧基、醚鍵、酚羥基等多種極性基團(tuán)，化學(xué)反應(yīng)活性明顯，可以發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。此外，木質(zhì)素碳含量高，具有一定的生物可降解性，溶解性隨著分離方法不同差異顯著。

2 多功能木質(zhì)素材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

木質(zhì)素是纖維素工業(yè)的主要副產(chǎn)物，可作為環(huán)氧樹(shù)脂、橡膠及熱塑性塑料等添加劑，也可以作為高分子原料和動(dòng)物飼料添加劑[24]。木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)中存在的芳香基、酚羥基、醇羥基、碳基共軛雙鍵等活性基團(tuán)可以進(jìn)行氧化、還原、醇解、磺化、烷基化、縮聚或接枝共聚等化學(xué)反應(yīng)[25]。木質(zhì)素通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可以制備酚類單體化學(xué)品[26-27]。以木質(zhì)素為原料，可以制備環(huán)保型酚醛/脲醛樹(shù)脂膠黏劑[28]、表面活性劑[29]、染料分散劑[30]、紫外防護(hù)劑[31]、緩控釋肥料[32]、可降解薄膜[33]等各類產(chǎn)品?；谀举|(zhì)素可以制備多功能復(fù)合材料，結(jié)合木質(zhì)素和其他材料的優(yōu)點(diǎn)，在能源、環(huán)境、傳感以及碳達(dá)峰碳中和等諸多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。

2.1 木質(zhì)素在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用

木質(zhì)素在能源領(lǐng)域特別是在可充電電池和超級(jí)電容器領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景。木質(zhì)素的引入不僅可以提高材料充放電性能，而且可以降低成本，有助于獲得可持續(xù)和更綠色的能源裝置[34]。

Park等[35]將化學(xué)交聯(lián)木質(zhì)素水凝膠與靜電紡聚丙烯腈納米纖維電極相結(jié)合，制備出木質(zhì)素基柔性超級(jí)電容器。木質(zhì)素基水凝膠具有較高的離子導(dǎo)電性和機(jī)械完整性、良好的電荷儲(chǔ)存能力和動(dòng)力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，該器件具有129.23 F g?1的高電容，10 000次循環(huán)后電容保持率為95%，在不同彎曲角度下仍然具有良好的柔韌性和耐久性?？稍偕嵝猿?jí)電容器具有的最大能量密度為4.49 Wh kg?1，功率密度為2.63 kW kg?1。Liu等[36]以木質(zhì)素為碳源，通過(guò)靜電紡絲結(jié)合煅燒的方法制備出了氮摻雜的聚丙烯腈/聚苯胺納米碳纖維。制備的碳纖維孔徑分布均勻，石墨化程度高，比表面積達(dá)483.1 m2g?1，氮摻雜量為6.31%。納米碳纖維離子擴(kuò)散路徑短，電子傳輸效率高，在1 A g?1電流密度下最高比電容達(dá)到199.5 F g?1；經(jīng)過(guò)1 000次充放電循環(huán)后，仍然具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，電容保持率為82%

采用綠色簡(jiǎn)便的原位碳化技術(shù)可制備出比表面積大、導(dǎo)電性好的多孔木質(zhì)素碳納米片[37]。所得到的多孔木質(zhì)素碳納米片在1.0 A g?1電流密度下表現(xiàn)出非常高的比電容(320 F g?1)和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性(在5.0 A g?1電流密度下10 000次循環(huán)后仍然保持93.5%)。在PVA/KOH凝膠電解質(zhì)中組裝成對(duì)稱的超級(jí)電容器時(shí)，在0.5 A g?1電流密度下也顯示出274 F g?1的高比電容，具有優(yōu)良的倍率性能(9.75 Wh kg?1)和高比能密度(6 157.9 W kg?1)。

Jha等[38]以MnO2沉積的活性炭和木質(zhì)素為底物，采用水熱法制備了一種用于柔性電子領(lǐng)域的固態(tài)、輕型、低成本的超級(jí)電容器。2 000次循環(huán)后，在6.01 mA g?1下獲得的比電容為5.52 mF cm?2。1 000次循環(huán)后的容量保留率為98.7%，2 000次循環(huán)后為97.5%。最大能量密度為14.11 Wh kg?1，功率密度為1 kW kg?1，庫(kù)侖效率為98%。Titirici等[39]通過(guò)單軸壓縮制備了高密度的木質(zhì)素衍生碳納米纖維超級(jí)電容器。在0.1 A g?1電流密度下，器件的體積比電容達(dá)到130 F cm?3，能量密度達(dá)到6 Wh L?1，優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)和實(shí)驗(yàn)室制備的多孔碳，有助于制備高效超級(jí)電容器。

最近，Liu等[40]總結(jié)了木質(zhì)素基電極在超級(jí)電容器和可充電電池等儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展，分析了木質(zhì)素基電極在鋰離子電池、Li-S電池以及氧化還原液流電池中的差異性，并建議在非金屬離子摻雜、孔隙率調(diào)控以及循環(huán)穩(wěn)定性等方面開(kāi)展深入研究，開(kāi)拓木質(zhì)素在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用新途徑。

2.2 木質(zhì)素在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來(lái)，低成本高性能的木質(zhì)素吸附材料在環(huán)境領(lǐng)域尤其是水處理中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注(見(jiàn)表1)[41]。木質(zhì)素衍生的活性炭已被用于吸附空氣污染物、有機(jī)染料、有機(jī)物和重金屬[42]。

表1 基于木質(zhì)素吸附材料在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用Table 1 Summary of the separation and purification of hemicellulose from wheat straw

李因亮等[43]制備了具有磁性的木質(zhì)素基空心微球(見(jiàn)圖1)。研究結(jié)果表明，磁性的木質(zhì)素基空心微球?qū)喖谆{(lán)(31.2 mg g?1)和羅丹明B(17.6 mg g?1)具有較好的吸附性能，吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線符合擬二階方程和Langmuir模型。經(jīng)過(guò)3次吸附脫附循環(huán)后，去除率仍能達(dá)到98%以上。因此，低成本、高吸附性、可重復(fù)使用的磁性木質(zhì)素空心微球吸附劑在廢水處理中具有較大的應(yīng)用潛力。Ma等[44]采用沉淀碳化法合成了磁性木質(zhì)素基碳納米顆粒，對(duì)甲基橙的吸附符合Langmuir模型和擬二階方程，化學(xué)吸附為速率控制步驟，最大吸附量為113.0 mg g?1。

圖1 具有磁性的木質(zhì)素基空心微球:(a),(c)未改性的落葉松木質(zhì)素和(b),(d)楊樹(shù)木質(zhì)素[43]Fig.1 TEM and SEM images of lignin hollow microspheres prepared with (a),(c)unmodified larch and (b),(d)poplar lignin[43]

Meng等[48]以木質(zhì)素為原料，通過(guò)微波、超聲波以及紫外輻照等方法制備了吸附劑。作者系統(tǒng)研究了木質(zhì)素類型、活化劑濃度、活化劑類型以及制備方法對(duì)材料形態(tài)、熱穩(wěn)定性和比表面積的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，木質(zhì)素基吸附材料比表面積最高可達(dá)765.3 m2g?1，在染料吸附以及廢水處理方面具有一定的應(yīng)用前景。

陳雪等[16]以工業(yè)堿木質(zhì)素為原料，通過(guò)酚化和磺化對(duì)其進(jìn)行改性，使用一鍋法制備木質(zhì)素基陽(yáng)離子交換樹(shù)脂用于廢水中重金屬離子的吸附。研究發(fā)現(xiàn)，磺化試劑用量越大，樹(shù)脂的溶脹能力越高，對(duì)Pb(II)的吸附能力達(dá)到 167.2 mg g?1。

司傳領(lǐng)課題組在木質(zhì)素應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域方面做了系統(tǒng)的研究，取得了一系列研究成果。以竹材木質(zhì)素為原料，通過(guò)接枝丙烯酸對(duì)硫酸鹽木質(zhì)素進(jìn)行改性，提高了對(duì)苯胺的吸附能力[45]。研究表明，改性木質(zhì)素接枝共聚后對(duì)苯胺的吸附能力達(dá)到89.9 mg g?1，最大單層吸附容量為108.7 mg g?1。吸附過(guò)程遵循擬二階動(dòng)力學(xué)，活化能為10.22 kJ moL?1。此外，具有磁性的堿木質(zhì)素/多巴胺納米復(fù)合材料可以通過(guò)物理吸附和化學(xué)吸附有效去除Cr(III)[46]，對(duì)Cr(III)的最大吸附量為44.6 mg g?1。該復(fù)合材料具有靈敏的磁響應(yīng)性(24.6 emu g?1)，有利于復(fù)合材料的回收(2 min內(nèi)回收率超過(guò)90%)和多次重復(fù)利用。在此基礎(chǔ)上，采用一步法合成了硅烷化胺化木質(zhì)素，探討了其在水溶液中對(duì)剛果紅和Cu(II)離子的吸附能力[49]。研究證實(shí)，制備的胺化木質(zhì)素具有較高的分子量、熱穩(wěn)定性、耐水性和耐有機(jī)溶劑性能。吸附實(shí)驗(yàn)表明，胺化木質(zhì)素在初始pH值下均能完全去除剛果紅和Cu(II)離子，其吸附基于靜電吸附和絡(luò)合作用，吸附等溫線和動(dòng)力學(xué)符合Langmuir方程和擬二階方程，是一種很有潛力的廢水處理吸附劑。木質(zhì)素分級(jí)是降低木質(zhì)素非均質(zhì)性、提高木質(zhì)素作為陽(yáng)離子染料吸附劑的吸附和回收性能的有效途徑。最近，該課題組在95%和80%乙醇溶液中分步溶解、酶解木質(zhì)素得到3個(gè)木質(zhì)素亞區(qū)[47]。研究結(jié)果表明，80%乙醇不溶性木質(zhì)素對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量最高，達(dá)到396.9 mg g?1。吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線表明，80%乙醇不溶物的最大單分子層吸附容量為431.1 mg g?1。

2.3 木質(zhì)素在傳感器中的應(yīng)用

柔性力學(xué)傳感器可以在外界刺激下發(fā)生形變，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。柔性力學(xué)傳感器包括壓阻型、電容型、壓電型以及摩擦電型等不同類型。木質(zhì)素在柔性力學(xué)傳感器領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景，可以作為相關(guān)的基質(zhì)材料。

Chokkareddy等[50]制備了由多壁碳納米管、納米氧化銅和木質(zhì)素聚合物組成的納米復(fù)合材料電化學(xué)傳感器。該傳感器的線性響應(yīng)范圍為5～55 μmol/L，檢測(cè)限為0.012 5 μmol/L，定量限為0.263 1 μmol/L，可以應(yīng)用于咖啡中綠原酸含量的分析。Yun等[51]以碳化木質(zhì)素為導(dǎo)電粒子，海藻酸鈉為交聯(lián)劑，制備超高靈敏度柔性電阻濕度傳感器。研究結(jié)果表明，在97%的相對(duì)濕度下，復(fù)合膜的最大響應(yīng)率為502 895.40%。此外，復(fù)合膜具有超高的靈敏度和低的遲滯性；在11%～97%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的重復(fù)性，可以作為濕度傳感器。

Wang等[52]也以聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)/磺化木質(zhì)素為載體，水/甘油二元溶劑為分散介質(zhì)，聚丙烯酸為骨架，制備得到具有生物相容性、自皺性、抗凍性和可伸縮性有機(jī)水凝膠耐磨傳感器。有機(jī)水凝膠傳感器不僅能感知肢體的運(yùn)動(dòng)，還能感知微弱的脈搏和喉嚨的振動(dòng)，可用于心電圖和肌電圖的生理信號(hào)檢測(cè)。此外，該課題組還制備了木質(zhì)素和纖維素衍生物誘導(dǎo)的水凝膠[53]，該材料具有非對(duì)稱黏附性、高強(qiáng)度和導(dǎo)電性，可用于可穿戴生物電極和自供電傳感器。水凝膠傳感器具有穩(wěn)定的傳感性能和自適應(yīng)耐磨性，協(xié)同作用使得雙層水凝膠具有強(qiáng)大的自供電傳感能力，在可穿戴生物電極、自供電傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，他們也制備了定向Fe3+調(diào)控的木質(zhì)素磺酸鈉摻雜的聚丙烯酸(PAA)水凝膠[54]，可以應(yīng)用于壓力傳感器。水凝膠具有均勻的黏附力，黏附強(qiáng)度達(dá)到30.5 kPa，導(dǎo)電性達(dá)到0.45 S m?1，拉伸性高達(dá)2 250%，低壓縮模量為20 kPa。不對(duì)稱黏附水凝膠能很好地粘附在人體皮膚上，組裝的水凝膠壓力傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾性和耐磨舒適性。

Nan等[55]以堿性木質(zhì)素為有機(jī)組分，銀納米粒子為無(wú)機(jī)組分，制備出木質(zhì)素/銀雜化納米材料(見(jiàn)圖2)。木質(zhì)素與銀納米顆粒的相互作用，不僅減少了銀納米顆粒的釋放，而且在木質(zhì)素中生成了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的半醌自由基。在與聚乙烯醇(PVA)基體復(fù)合后，木質(zhì)素/銀雜化納米材料提供了氫鍵，促進(jìn)了電子的傳遞。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和氨的成孔效應(yīng)，該水凝膠具有優(yōu)異的壓縮性、壓力敏感性和信號(hào)響應(yīng)穩(wěn)定性。該研究為基于木質(zhì)素的納米復(fù)合水凝膠壓阻式傳感器提供了一種綠色的設(shè)計(jì)策略。

圖2 (a)PVA/Lig-Ag水凝膠的掃描電鏡圖像；PVA/Lig-Ag水凝膠中(b)碳和(c)銀的元素面掃描圖；(d)PVA水凝膠、(e)PVA/Lig-Ag水凝膠和(f)PVA/Lig-Ag-RN水凝膠的掃描電鏡圖像[55]Fig.2 (a)FE-SEM image of PVA/Lig-Ag hydrogel Element mapping of (b)carbon and (c)silver for PVA/Lig-Ag hydrogel.SEM images of (d)PVA hydrogel,(e)PVA/Lig-Ag hydrogel and(f)PVA/Lig-Ag-RN hydrogel [55]

2.4 木質(zhì)素對(duì)碳達(dá)峰碳中和的意義

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”(簡(jiǎn)稱“碳達(dá)峰碳中和”)等目標(biāo)。做好“碳達(dá)峰碳中和”工作是“十四五”規(guī)劃的重要內(nèi)容。二氧化碳排放峰值和中和目標(biāo)的設(shè)定對(duì)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義[56]。研究結(jié)果表明，“碳達(dá)峰碳中和”對(duì)高碳排放行業(yè)具有顯著的抑制作用，對(duì)低碳排放行業(yè)具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。包括木質(zhì)素在內(nèi)的生物質(zhì)行業(yè)具有綠色低碳的特點(diǎn)，是“碳達(dá)峰碳中和”的重要內(nèi)容。探索木質(zhì)素在“碳達(dá)峰碳中和”中的應(yīng)用，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)具有重要的意義。

Nwachukwu等[57]研究了森林生物質(zhì)在鋼鐵工業(yè)中的利用，包括生物質(zhì)原料、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)和生物質(zhì)產(chǎn)品的分配，以減少鋼鐵工業(yè)中化石燃料二氧化碳的排放。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中，最大限度地利用生物質(zhì)產(chǎn)品可減少43%的二氧化碳排放。Quacoe等[58]剖析了生物質(zhì)利用效率與二氧化碳排放和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系?；?990～2016年期間世界銀行的數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)利用顯著降低了我國(guó)的二氧化碳排放量，建議通過(guò)優(yōu)先考慮生物質(zhì)利用和生物技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。Bauer等[59]認(rèn)為利用生物質(zhì)原料替代化石燃料可以有效地去除大氣中的碳，減少化石燃料排放的二氧化碳。

Sulaiman和Abdul-Rahim[60]研究了在1980～2015年期間，清潔的生物質(zhì)能是否降低了非洲經(jīng)濟(jì)體的二氧化碳排放問(wèn)題。研究結(jié)果表明，使用清潔的生物質(zhì)能在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)減少二氧化碳的排放，短期內(nèi)對(duì)二氧化碳排放的影響不大。提高生物質(zhì)能在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中的比重，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量改善和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。建議非洲國(guó)家加強(qiáng)清潔生物質(zhì)能的生產(chǎn)和使用，以替代生產(chǎn)過(guò)程中大量使用的化石燃料。Dessbesell等[61]探討了全球木質(zhì)素市場(chǎng)供應(yīng)概況和硫酸鹽木質(zhì)素作為石油基聚合物替代品的潛力。從2014年到2018年，硫酸鹽木質(zhì)素產(chǎn)量增長(zhǎng)了150%，硫酸鹽木質(zhì)素可以用來(lái)生產(chǎn)最具市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值的生物酚。苯酚和多元醇在全球范圍內(nèi)的增長(zhǎng)為生物聚合物提供了機(jī)會(huì)。針對(duì)木質(zhì)素的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化為其作為石油基聚合物替代品提供了可能。Li等[62]研究認(rèn)為，在不采取任何碳減排措施的情況下，到2030年中國(guó)碳排放總量將達(dá)到53 061萬(wàn)噸；加大研發(fā)投入、推廣節(jié)能建筑、實(shí)施碳交易等措施具有良好的減碳效果；中國(guó)碳排放總量在2030年前可達(dá)到峰值，2029年達(dá)到30 877萬(wàn)噸。

3 結(jié)論與展望

基于木質(zhì)素的多功能材料在能源、環(huán)境、傳感以及“碳達(dá)峰碳中和”等領(lǐng)域取得了較大應(yīng)用進(jìn)展，具有重要的應(yīng)用前景。相關(guān)研究豐富了木質(zhì)素的應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)辟了木質(zhì)素資源化、功能化以及高值化應(yīng)用的新途徑。尤其是在“碳達(dá)峰碳中和”領(lǐng)域，包括木質(zhì)素在內(nèi)的生物質(zhì)資源來(lái)源廣泛、性能優(yōu)異、作用巨大、前景廣闊，能夠發(fā)揮出資源優(yōu)勢(shì)。

基于木質(zhì)素的多功能材料雖然取得了一些進(jìn)展，但仍然存在諸多問(wèn)題。首先是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受原料種類、生長(zhǎng)年份、預(yù)處理方法等諸多因素影響，得到具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素仍然存在問(wèn)題。甚至可以說(shuō)，木質(zhì)素是一類酚類聚合物的集合體，其概念仍然有待厘清。木質(zhì)素的預(yù)處理方法較多，但適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法仍然較少，諸多研究技術(shù)仍然停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段，無(wú)法大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)木質(zhì)素由于原料和工藝差異，重復(fù)性差，限制了其應(yīng)用。木質(zhì)素的資源化、功能化以及高值化是提高木質(zhì)素附加值的重要方式和手段。人們對(duì)木質(zhì)素多功能材料在能源、環(huán)境、傳感以及“碳達(dá)峰碳中和”等領(lǐng)域進(jìn)行了一些研究，但其作用機(jī)理有待進(jìn)一步探索，尤其是構(gòu)建木質(zhì)素結(jié)構(gòu)與功能材料性能的有機(jī)聯(lián)系是今后的研究重點(diǎn)。木質(zhì)素在能源領(lǐng)域尤其是超級(jí)電容器領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，但精準(zhǔn)調(diào)控孔隙率和循環(huán)穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步研究。木質(zhì)素在環(huán)境領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用前景廣闊，但吸附量有待進(jìn)一步提高；與活性炭相比，其商業(yè)化應(yīng)用有待進(jìn)一步探索。優(yōu)化木質(zhì)素復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成多功能于一體，開(kāi)發(fā)高靈敏度、寬工作范圍以及良好線性度的傳感器是未來(lái)的發(fā)展方向。木質(zhì)素本身來(lái)源廣泛、成本低廉，但復(fù)合成為多功能材料后，可能存在制備工藝復(fù)雜、成本較高、優(yōu)勢(shì)不明顯等問(wèn)題。制備納米木質(zhì)素可能是木質(zhì)素應(yīng)用的方向之一，但如何體現(xiàn)木質(zhì)素納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是后續(xù)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

根據(jù)目前“碳達(dá)峰碳中和”的發(fā)展特點(diǎn)以及生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，木質(zhì)素功能材料有望成為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)“碳達(dá)峰碳中和”的重要技術(shù)手段之一，提高木質(zhì)素附加值，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、環(huán)境效益以及社會(huì)效益的四位一體，為木質(zhì)素的未來(lái)發(fā)展提供研究方向和理論思路。