过去十年来，源于木质素的可持续光催化材料如雨后春笋般涌现，为利用太阳能和可再生生物质资源提供了无限潜力。木质素作为最丰富的天然芳香族化合物，具有高碳含量和丰富的含氧官能团，是一种很有前景的光催化剂改性材料，可以增强光催化剂的光吸收能力、促进其电荷分离和防止颗粒聚集。尽管有关木质素基光催化材料的报道越来越多，但研究人员对其结构的调节和设计还缺乏全面的了解。因此，天津科技大学司传领教授、王冠华研究员与加拿大卡尔加里大学胡劲光教授合作，对木质素基光催化材料的研究进展进行了综述，重点关注木质素的作用、合成策略和未来的设计。文章还讨论了木质素基光催化剂的光催化应用的最新进展，并深入探讨了相应反应的微观机制。此外，还提出了木质素基光催化材料目前面临的挑战，为光催化领域的未来发展提供了见解。

  该成果以题为：“Lignin-Based Photocatalytic Materials: Fabrication, Applications, and Perspectives” 发表于期刊《Renewable & Sustainable Energy Reviews》（中科院一区，影响因子16.3），天津科技大学2023级博士研究生徐瀛为该论文第一作者，司传领教授、王冠华研究员以及加拿大卡尔加里大学胡劲光教授为通讯作者。

  随着全球工业化的快速发展，解决严重的能源和环境危机已成为当务之急，对清洁和可再生能源解决方案的迫切需求促使人们越来越关注太阳能这种丰富的可持续能源。光催化作为一种绿色技术，已成为利用太阳能的重要方法，具有条件温和、操作简单、能效高的优点，广泛应用于各个领域（图1a）。目前的光催化剂普遍面临着电子-空穴快速重组、催化剂颗粒聚集、难以回收利用以及成本高等挑战（图1b）。木质素作为木质纤维素的重要组成部分，常常被视为低值的制浆造纸行业副产品，用做直接低热值燃料，这归因于其复杂而独特的苯丙单元芳香结构和丰富的官能团（如酚羟基、羧基、羰基等），以及高达 60%的含碳量（图1c）。

不过，值得注意的是：

  1) 木质素中的多酚可通过氢键、静电作用、金属离子配位和吸附作用与有机和无机表面结合。

  2) 木质素的三维网络结构可促进形成稳定的微分散结构，这有助于在以木质素为模板和碳载体改性光催化剂的过程中防止半导体颗粒聚集。

  3) 木质素在热解过程中表现出更高的碳材料产率，并可保留某些官能团，因此与其他生物质原料相比，其碳材料具有更高的导电性、吸附能力、稳定性和比表面积。

  4) 更重要的是，在丰富的芳香结构和官能团的支持下，木质素本身的光催化特性是与其他生物质材料相比最独特的特性之一。

  因此，木质素是生产光催化材料的理想前体，为合成复合光催化材料开辟了新途径。

图1：a) 光催化反应机理。(b) 各类半导体光催化剂的能带结构和各种反应的氧化还原电位。(c) 木质纤维素的组成。

  如图 2 所示，在 2014 年至 2016 年期间，研究重点是通过在空气气氛中煅烧木质素和光催化剂前体的混合物，获得具有出色分散性和巨大比表面积的介孔半导体光催化剂。随后，研究人员开始关注木质素基碳材料与光催化剂的结合，包括碳支撑材料、碳量子点和碳掺杂等多种形式。如今，研究人员希望将木质素直接用于光催化。此外，基于木质素光催化材料的光催化反应已从主要由紫外光激活发展到由可见光引发的各种反应。促使这一转变的原因是，人们意识到太阳光谱中可见光的比例（46%）远远超过紫外线（5%），而且与红外线（49%）相比，可见光的吸收和利用效率更高。

图2：木质素光催化材料的开发历程。

  如图3所示，第二章深入探讨了如何充分利用木质素的上述优势，作为模板、碳材料和光催化剂在木质素基光催化材料中的具体作用和机制，并从这几个方面进行了全面的分析。木质素是一种高碳生物聚合物，作为碳前驱体可通过煅烧和水热法处理形成各类碳材料。随后，这些碳材料可与各种半导体结合，制备出具有更强光催化性能的纳米复合材料。此外，一些研究还提出，采用温和的方法，非碳化木质素也能促进光催化过程。这些研究表明，前驱体处理方法、热处理条件和添加剂对木质素光催化材料的形态和性能有重大影响。

图3：木质素在木质素基光催化材料中的作用。

  第三章具体探讨了木质素基光催化材料的形成过程和机理，阐明不同制备方法的优势（图4）。木质素作为一种改性材料，可以在传统光催化剂的基础上，以经济高效的方式参与制备过程。这意味着通过使用与传统光催化材料相当的原材料和合成工艺，可以显著提高性能。此外，随着木质素作为直接光催化剂的潜力得到证实，其作为一种“废弃”材料在光催化领域的经济可行性具备显著优势，对于促进农林副产品的高值化利用和推动循环经济的发展具有重要意义。

图4：木质素基光催化材料的制备方法、相应优势和产品类型。

  木质素基光催化材料具有出色的稳定性和环境可持续性，在去除污染物、水分离、有机物转化和能源转换方面具有非凡的潜力。这些光催化应用背后的机理涉及基于光激发电子和空穴的氧化还原反应（图 5）。由于不同光催化剂的能带结构各不相同，它们可以满足特定的热力学条件，从而适用于不同的反应。第四章旨在全面概述木质素衍生光催化材料在这些领域的应用和基本反应机制。

图5：木质素基光催化材料的应用和反应机理。

  结论与展望：

  毫无疑问，木质素在光催化材料的制备领域具有巨大的应用潜力。然而，木质素基光催化材料的实际应用还需要进一步探索和克服一些挑战：

  1)如何在较低的制备成本与优异的光催化剂性能之间取得平衡，是一项主要挑战。

  2)深入了解木质素的具体结构特征及其对特定光催化反应的积极影响，将为未来木质素提取方法的优化和改良提供指导。

  3)目前，大多数研究都集中在光催化剂性能的表征和反应效率的测试上，应注重材料制备工艺的完善，重点提出合成机理，以更好地控制工艺，提高催化剂质量，避免能源浪费。

  4)虽然木质素可以直接用作光催化剂，但木质素来源的多样性及其复杂的异质性给研究的进展带来了巨大挑战。因此，进一步探索多功能结构与光催化活性之间的关系，建立全面的评估和筛选体系将是未来探索的重要方向。

  5)尽管光催化技术前景广阔，但其目前的工业化前景仍然有限，当务之急是在实验的基础上，进一步探索扩大光源、反应器的规模，以期顺利地过渡到工业化生产。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115695