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  過去十年來，源于木質素的可持續光催化材料如雨后春筍般涌現，為利用太陽能和可再生生物質資源提供了無限潛力。木質素作為最豐富的天然芳香族化合物，具有高碳含量和豐富的含氧官能團，是一種很有前景的光催化劑改性材料，可以增強光催化劑的光吸收能力、促進其電荷分離和防止顆粒聚集。盡管有關木質素基光催化材料的報道越來越多，但研究人員對其結構的調節和設計還缺乏全面的了解。因此，天津科技大學司傳領教授、王冠華研究員與加拿大卡爾加里大學胡勁光教授合作，對木質素基光催化材料的研究進展進行了綜述，重點關注木質素的作用、合成策略和未來的設計。文章還討論了木質素基光催化劑的光催化應用的最新進展，并深入探討了相應反應的微觀機制。此外，還提出了木質素基光催化材料目前面臨的挑戰，為光催化領域的未來發展提供了見解。

  該成果以題為：“Lignin-Based Photocatalytic Materials: Fabrication, Applications, and Perspectives” 發表于期刊《Renewable & Sustainable Energy Reviews》（中科院一區，影響因子16.3），天津科技大學2023級博士研究生徐瀛為該論文第一作者，司傳領教授、王冠華研究員以及加拿大卡爾加里大學胡勁光教授為通訊作者。

  隨著全球工業化的快速發展，解決嚴重的能源和環境危機已成為當務之急，對清潔和可再生能源解決方案的迫切需求促使人們越來越關注太陽能這種豐富的可持續能源。光催化作為一種綠色技術，已成為利用太陽能的重要方法，具有條件溫和、操作簡單、能效高的優點，廣泛應用于各個領域（圖1a）。目前的光催化劑普遍面臨著電子-空穴快速重組、催化劑顆粒聚集、難以回收利用以及成本高等挑戰（圖1b）。木質素作為木質纖維素的重要組成部分，常常被視為低值的制漿造紙行業副產品，用做直接低熱值燃料，這歸因于其復雜而獨特的苯丙單元芳香結構和豐富的官能團（如酚羥基、羧基、羰基等），以及高達 60%的含碳量（圖1c）。

不過，值得注意的是：

  1) 木質素中的多酚可通過氫鍵、靜電作用、金屬離子配位和吸附作用與有機和無機表面結合。

  2) 木質素的三維網絡結構可促進形成穩定的微分散結構，這有助于在以木質素為模板和碳載體改性光催化劑的過程中防止半導體顆粒聚集。

  3) 木質素在熱解過程中表現出更高的碳材料產率，并可保留某些官能團，因此與其他生物質原料相比，其碳材料具有更高的導電性、吸附能力、穩定性和比表面積。

  4) 更重要的是，在豐富的芳香結構和官能團的支持下，木質素本身的光催化特性是與其他生物質材料相比最獨特的特性之一。

  因此，木質素是生產光催化材料的理想前體，為合成復合光催化材料開辟了新途徑。

圖1：a) 光催化反應機理。(b) 各類半導體光催化劑的能帶結構和各種反應的氧化還原電位。(c) 木質纖維素的組成。

  如圖 2 所示，在 2014 年至 2016 年期間，研究重點是通過在空氣氣氛中煅燒木質素和光催化劑前體的混合物，獲得具有出色分散性和巨大比表面積的介孔半導體光催化劑。隨后，研究人員開始關注木質素基碳材料與光催化劑的結合，包括碳支撐材料、碳量子點和碳摻雜等多種形式。如今，研究人員希望將木質素直接用于光催化。此外，基于木質素光催化材料的光催化反應已從主要由紫外光激活發展到由可見光引發的各種反應。促使這一轉變的原因是，人們意識到太陽光譜中可見光的比例（46%）遠遠超過紫外線（5%），而且與紅外線（49%）相比，可見光的吸收和利用效率更高。

圖2：木質素光催化材料的開發歷程。

  如圖3所示，第二章深入探討了如何充分利用木質素的上述優勢，作為模板、碳材料和光催化劑在木質素基光催化材料中的具體作用和機制，并從這幾個方面進行了全面的分析。木質素是一種高碳生物聚合物，作為碳前驅體可通過煅燒和水熱法處理形成各類碳材料。隨后，這些碳材料可與各種半導體結合，制備出具有更強光催化性能的納米復合材料。此外，一些研究還提出，采用溫和的方法，非碳化木質素也能促進光催化過程。這些研究表明，前驅體處理方法、熱處理條件和添加劑對木質素光催化材料的形態和性能有重大影響。

圖3：木質素在木質素基光催化材料中的作用。

  第三章具體探討了木質素基光催化材料的形成過程和機理，闡明不同制備方法的優勢（圖4）。木質素作為一種改性材料，可以在傳統光催化劑的基礎上，以經濟高效的方式參與制備過程。這意味著通過使用與傳統光催化材料相當的原材料和合成工藝，可以顯著提高性能。此外，隨著木質素作為直接光催化劑的潛力得到證實，其作為一種“廢棄”材料在光催化領域的經濟可行性具備顯著優勢，對于促進農林副產品的高值化利用和推動循環經濟的發展具有重要意義。

圖4：木質素基光催化材料的制備方法、相應優勢和產品類型。

  木質素基光催化材料具有出色的穩定性和環境可持續性，在去除污染物、水分離、有機物轉化和能源轉換方面具有非凡的潛力。這些光催化應用背后的機理涉及基于光激發電子和空穴的氧化還原反應（圖 5）。由于不同光催化劑的能帶結構各不相同，它們可以滿足特定的熱力學條件，從而適用于不同的反應。第四章旨在全面概述木質素衍生光催化材料在這些領域的應用和基本反應機制。

圖5：木質素基光催化材料的應用和反應機理。

  結論與展望：

  毫無疑問，木質素在光催化材料的制備領域具有巨大的應用潛力。然而，木質素基光催化材料的實際應用還需要進一步探索和克服一些挑戰：

  1)如何在較低的制備成本與優異的光催化劑性能之間取得平衡，是一項主要挑戰。

  2)深入了解木質素的具體結構特征及其對特定光催化反應的積極影響，將為未來木質素提取方法的優化和改良提供指導。

  3)目前，大多數研究都集中在光催化劑性能的表征和反應效率的測試上，應注重材料制備工藝的完善，重點提出合成機理，以更好地控制工藝，提高催化劑質量，避免能源浪費。

  4)雖然木質素可以直接用作光催化劑，但木質素來源的多樣性及其復雜的異質性給研究的進展帶來了巨大挑戰。因此，進一步探索多功能結構與光催化活性之間的關系，建立全面的評估和篩選體系將是未來探索的重要方向。

  5)盡管光催化技術前景廣闊，但其目前的工業化前景仍然有限，當務之急是在實驗的基礎上，進一步探索擴大光源、反應器的規模，以期順利地過渡到工業化生產。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115695