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  過(guò)去十年來(lái)，源于木質(zhì)素的可持續(xù)光催化材料如雨后春筍般涌現(xiàn)，為利用太陽(yáng)能和可再生生物質(zhì)資源提供了無(wú)限潛力。木質(zhì)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(tuán)，是一種很有前景的光催化劑改性材料，可以增強(qiáng)光催化劑的光吸收能力、促進(jìn)其電荷分離和防止顆粒聚集。盡管有關(guān)木質(zhì)素基光催化材料的報(bào)道越來(lái)越多，但研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)還缺乏全面的了解。因此，天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)教授、王冠華研究員與加拿大卡爾加里大學(xué)胡勁光教授合作，對(duì)木質(zhì)素基光催化材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)關(guān)注木質(zhì)素的作用、合成策略和未來(lái)的設(shè)計(jì)。文章還討論了木質(zhì)素基光催化劑的光催化應(yīng)用的最新進(jìn)展，并深入探討了相應(yīng)反應(yīng)的微觀機(jī)制。此外，還提出了木質(zhì)素基光催化材料目前面臨的挑戰(zhàn)，為光催化領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展提供了見(jiàn)解。

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

  隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展，解決嚴(yán)重的能源和環(huán)境危機(jī)已成為當(dāng)務(wù)之急，對(duì)清潔和可再生能源解決方案的迫切需求促使人們?cè)絹?lái)越關(guān)注太陽(yáng)能這種豐富的可持續(xù)能源。光催化作為一種綠色技術(shù)，已成為利用太陽(yáng)能的重要方法，具有條件溫和、操作簡(jiǎn)單、能效高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(zhàn)（圖1b）。木質(zhì)素作為木質(zhì)纖維素的重要組成部分，常常被視為低值的制漿造紙行業(yè)副產(chǎn)品，用做直接低熱值燃料，這歸因于其復(fù)雜而獨(dú)特的苯丙單元芳香結(jié)構(gòu)和豐富的官能團(tuán)（如酚羥基、羧基、羰基等），以及高達(dá) 60%的含碳量（圖1c）。

不過(guò)，值得注意的是：

  1) 木質(zhì)素中的多酚可通過(guò)氫鍵、靜電作用、金屬離子配位和吸附作用與有機(jī)和無(wú)機(jī)表面結(jié)合。

  2) 木質(zhì)素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可促進(jìn)形成穩(wěn)定的微分散結(jié)構(gòu)，這有助于在以木質(zhì)素為模板和碳載體改性光催化劑的過(guò)程中防止半導(dǎo)體顆粒聚集。

  3) 木質(zhì)素在熱解過(guò)程中表現(xiàn)出更高的碳材料產(chǎn)率，并可保留某些官能團(tuán)，因此與其他生物質(zhì)原料相比，其碳材料具有更高的導(dǎo)電性、吸附能力、穩(wěn)定性和比表面積。

  4) 更重要的是，在豐富的芳香結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的支持下，木質(zhì)素本身的光催化特性是與其他生物質(zhì)材料相比最獨(dú)特的特性之一。

  因此，木質(zhì)素是生產(chǎn)光催化材料的理想前體，為合成復(fù)合光催化材料開(kāi)辟了新途徑。

圖1：a) 光催化反應(yīng)機(jī)理。(b) 各類半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)和各種反應(yīng)的氧化還原電位。(c) 木質(zhì)纖維素的組成。

  如圖 2 所示，在 2014 年至 2016 年期間，研究重點(diǎn)是通過(guò)在空氣氣氛中煅燒木質(zhì)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(dǎo)體光催化劑。隨后，研究人員開(kāi)始關(guān)注木質(zhì)素基碳材料與光催化劑的結(jié)合，包括碳支撐材料、碳量子點(diǎn)和碳摻雜等多種形式。如今，研究人員希望將木質(zhì)素直接用于光催化。此外，基于木質(zhì)素光催化材料的光催化反應(yīng)已從主要由紫外光激活發(fā)展到由可見(jiàn)光引發(fā)的各種反應(yīng)。促使這一轉(zhuǎn)變的原因是，人們意識(shí)到太陽(yáng)光譜中可見(jiàn)光的比例（46%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)紫外線（5%），而且與紅外線（49%）相比，可見(jiàn)光的吸收和利用效率更高。

圖2：木質(zhì)素光催化材料的開(kāi)發(fā)歷程。

  如圖3所示，第二章深入探討了如何充分利用木質(zhì)素的上述優(yōu)勢(shì)，作為模板、碳材料和光催化劑在木質(zhì)素基光催化材料中的具體作用和機(jī)制，并從這幾個(gè)方面進(jìn)行了全面的分析。木質(zhì)素是一種高碳生物聚合物，作為碳前驅(qū)體可通過(guò)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(dǎo)體結(jié)合，制備出具有更強(qiáng)光催化性能的納米復(fù)合材料。此外，一些研究還提出，采用溫和的方法，非碳化木質(zhì)素也能促進(jìn)光催化過(guò)程。這些研究表明，前驅(qū)體處理方法、熱處理?xiàng)l件和添加劑對(duì)木質(zhì)素光催化材料的形態(tài)和性能有重大影響。

圖3：木質(zhì)素在木質(zhì)素基光催化材料中的作用。

  第三章具體探討了木質(zhì)素基光催化材料的形成過(guò)程和機(jī)理，闡明不同制備方法的優(yōu)勢(shì)（圖4）。木質(zhì)素作為一種改性材料，可以在傳統(tǒng)光催化劑的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟(jì)高效的方式參與制備過(guò)程。這意味著通過(guò)使用與傳統(tǒng)光催化材料相當(dāng)?shù)脑牧虾秃铣晒に�，可以顯著提高性能。此外，隨著木質(zhì)素作為直接光催化劑的潛力得到證實(shí)，其作為一種“廢棄”材料在光催化領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)可行性具備顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)林副產(chǎn)品的高值化利用和推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

圖4：木質(zhì)素基光催化材料的制備方法、相應(yīng)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品類型。

  木質(zhì)素基光催化材料具有出色的穩(wěn)定性和環(huán)境可持續(xù)性，在去除污染物、水分離、有機(jī)物轉(zhuǎn)化和能源轉(zhuǎn)換方面具有非凡的潛力。這些光催化應(yīng)用背后的機(jī)理涉及基于光激發(fā)電子和空穴的氧化還原反應(yīng)（圖 5）。由于不同光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)各不相同，它們可以滿足特定的熱力學(xué)條件，從而適用于不同的反應(yīng)。第四章旨在全面概述木質(zhì)素衍生光催化材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用和基本反應(yīng)機(jī)制。

圖5：木質(zhì)素基光催化材料的應(yīng)用和反應(yīng)機(jī)理。

  結(jié)論與展望：

  毫無(wú)疑問(wèn)，木質(zhì)素在光催化材料的制備領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，木質(zhì)素基光催化材料的實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)一步探索和克服一些挑戰(zhàn)：

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

  2)深入了解木質(zhì)素的具體結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)特定光催化反應(yīng)的積極影響，將為未來(lái)木質(zhì)素提取方法的優(yōu)化和改良提供指導(dǎo)。

  3)目前，大多數(shù)研究都集中在光催化劑性能的表征和反應(yīng)效率的測(cè)試上，應(yīng)注重材料制備工藝的完善，重點(diǎn)提出合成機(jī)理，以更好地控制工藝，提高催化劑質(zhì)量，避免能源浪費(fèi)。

  4)雖然木質(zhì)素可以直接用作光催化劑，但木質(zhì)素來(lái)源的多樣性及其復(fù)雜的異質(zhì)性給研究的進(jìn)展帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，進(jìn)一步探索多功能結(jié)構(gòu)與光催化活性之間的關(guān)系，建立全面的評(píng)估和篩選體系將是未來(lái)探索的重要方向。

  5)盡管光催化技術(shù)前景廣闊，但其目前的工業(yè)化前景仍然有限，當(dāng)務(wù)之急是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索擴(kuò)大光源、反應(yīng)器的規(guī)模，以期順利地過(guò)渡到工業(yè)化生產(chǎn)。

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