Lignin Derived Carbon Materials: Current Status and Future Trends

https://doi.org/10.1007/s44246-022-00009-1

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作者简介

责任作者 邱学青

    邱学青，博士，教授，博士生导师。现任广东工业大学校长。国务院特殊津贴专家，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家新世纪“百千万”人才工程。兼任中国化工学会理事、精细化工专业委员会副主任，广东省化工学会执行理事长，广东省绿色精细化学产品工程技术研究开发中心主任，第七届国务院学科评议组（化学工程与技术学科组）成员，《高校化学工程学报》《精细化工》副主编等。主要从事工业木质素的资源化高效利用及新型萃取工艺方法的研究，获得国家技术发明二等奖2次（均排名第一），部省级科技一、二等奖共5次，中国专利优秀奖3次，广东省专利金奖2次。获光华工程科技奖（2018年），闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖（2015年）。获国家教学成果一等奖1次、二等奖2次。发表SCI/EI收录论文300多篇，获授权中国发明专利62项；获得美国授权专利2项。

第一作者 张文礼

    张文礼，博士，教授，博士生导师。广东工业大学特聘教授，国家海外高层次青年人才，轻工化工学院、先进制造学院教师，主要从事木质纤维素转化、碳电极材料、电催化和电化学储能（锂、钠、钾离子电池、铅酸电池和超级电容器）等研究，在Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Science, Nano Energy, Eelectrochemical Energy Reviews,和EnergyChem等期刊发表学术论文100余篇，其中ESI高被引论文9篇，被引用4200余次，h指数35，荣获由保加利亚科学院电化学与能源系统研究所颁发的2021年德切科·巴甫洛夫（“Prof. Detchko Pavlov”）青年科学家奖，担任Advanced Powder Materials 期刊的特邀编委，Frontiers in Energy Research编委，Carbon Research，Green Energy and Resources，《物理化学学报》等期刊的青年编委。

文章亮点

• 该综述介绍了木质素衍生碳材料的多种制备方法及其在形貌与孔隙调控方面的最新研究进展；

• 重点介绍了木质素衍生碳材料在电化学储能系统、催化以及环境修复方面的应用前景；

• 总结了木质素衍生碳材料在后续商业化应用过程中亟需解决的问题和未来发展方向。

文章摘要

    木质素是制浆造纸和生物炼制行业生产的副产品，其低成本、高碳含量（>60%）、高芳香性、丰富的氧官能团和良好的结构可调性等特点使其可以作为碳质材料的生物质前驱体。

    基于木质素的物化特性，可以通过调控碳化策略（物理活化、化学活化、模板法和自模板法等）来合成具有多种形态（纤维状、球状、膜状等）、晶体结构、孔隙结构和表面化学特性的碳材料，实现木质素衍生碳（LDC）的多功能化应用。近期，LDC在电化学储能（超级电容器、碱金属离子电池）领域中的应用受到关注，针对于不同电化学储能装置的储能原理（吸附、插层以及孔隙填充机制）定向制备和调控LDC的微观结构（比表面积大、杂原子功能、微/介孔可调以及石墨微晶结构等），不仅提升了储能装置的循环稳定性、延长了使用寿命，而且降低了生产成本、减轻了化学污染。另外，我们可以利用LDC的多孔、氧官能团丰富等特性来增强活性位点的可及性，使其可以在催化（替代贵金属催化剂和负载分散光催化剂）和环境控制（CO₂吸附，废水污染物捕获，油水分离清洗污染物）领域中实现大规模应用。

    最后，本文总结了推进木质素衍生碳材料在未来商业应用中的研究方向。

摘要图

图1. 木质纤维素综合利用的技术路线图

图2. 木质素衍生碳材料合成的多维策略及其工业应用

图3. 木质素衍生碳材料的未来研究趋势与总结

文章结论

• 基于绿色经济、可持续策略，亟需开发易操作、高产率、低耗能和环境友好的有效活化技术；

• 精准调控木质素衍生碳材料结构，定向制备孔径、形态和晶体结构可调控的LDC，以满足特定应用领域的需求；

• 需要从分子水平上深入探究木质素衍生碳材料结构与相应的性能方面的构效关系。

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