木质素衍生微球的综合评述：可控合成、功能化策略及新型应用的进展

《Biomass and Bioenergy》：A comprehensive review of lignin-derived microspheres: Advances in controlled synthesis, functionalization strategies and novel applications

　　**摘要**
随着绿色和可持续材料研究的进步，木质素已成为实现生物量资源高值利用和可持续发展的关键焦点。基于木质素的微球已从工业副产品转变为具有巨大潜力的先进功能材料。本文全面综述了木质素微球从可控合成到功能应用的进展。首先系统讨论了木质素微球的形成机制，重点介绍了核心制备技术，包括溶剂交换、反溶剂沉淀、界面聚合和电喷雾法。其次深入分析了调控反应参数以实现可控制备和性能优化的策略。最后对其在各个领域的最新应用成果进行了总结。由于具有可修饰的芳香骨架和多孔结构，木质素微球在多个领域展现出巨大潜力：在能量储存与转化方面，其较大的比表面积、优良的导电性和可调的孔结构赋予了卓越的电化学性能；在生物医学领域，其优异的生物相容性和生物降解性使其成为理想的药物递送系统候选材料；在环境吸附和污染修复方面，其高比表面积和丰富的功能基团能够高效去除多种污染物；在紫外线防护方面，其强的紫外线吸收能力有助于开发高性能的紫外线屏蔽材料。最后指出了当前面临的挑战及未来发展方向，包括开发绿色且可规模化的制备工艺、深化形成机制的研究以及提高实际应用中的长期稳定性。本综述旨在为未来木质素高值利用的研究提供明确的方向，促进技术创新和产业转化。

**引言**
随着全球工业化和现代工业发展的迅速推进，能源短缺问题日益严重，环境污染也日益加剧，这已成为全球性挑战。发展低碳、清洁和可持续的能源体系已成为国际社会的共同目标[1]，[2]，因此迫切需要探索替代传统化石燃料的可再生资源。作为极具潜力的可再生能源，生物质因其固有优势而受到广泛关注[3]。生物质主要来源于植物残渣，具有广泛的可用性、丰富的储量以及环境友好性[4]。在生长过程中，生物质通过光合作用吸收二氧化碳，从而在能量转化时实现理论上封闭的碳循环。同时，其利用过程产生的污染物排放较少，并能有效处理有机废物，这与绿色循环经济的理念高度契合[5]。因此，充分利用生物质能源不仅有助于缓解能源危机[6]，[7]，[8]，还在环境修复以及实现碳达峰和碳中和目标方面发挥关键作用[9]，[10]，代表了通往全球可持续发展的关键途径（见表1、表2、表3、表4、表5、图1、图2）。
在丰富的绿色资源中，木质素是仅次于纤维素的第二大生物质资源[16]。根据芳香环上的甲氧基化程度，其基本结构单元可分为对羟基苯基（H，未甲氧基化）、邻甲氧基苯基（G，单甲氧基化）和间甲氧基苯基（S，二甲氧基化）[17]，[18]，[19]。作为自然界中最丰富的芳香族生物聚合物之一，木质素是实现生物质全成分增值的关键成分。将木质素纳入循环经济系统的主要动机包括：（1）提高资源利用效率并促进可持续发展；（2）通过改性及回收实现高值转化。然而，根据不完全统计，全球每年的工业木质素产量超过7000万吨，其中大部分仅作为低价值燃料燃烧，仅有约5%用于添加剂、分散剂和胶粘剂等高端产品[20]，导致大量资源浪费和环境污染。
近年来，纳米材料和纳米技术的快速发展为木质素的微纳尺度应用开辟了新途径。得益于木质素中固有的π-π堆积和氢键作用，它可以方便地组装成均匀的球形微粒[21]，[22]，[23]。此外，合理的表面功能化可显著扩展其在先进材料、生物医学、环境修复等领域的应用范围，从而大幅提升木质素的综合利用价值。
过去几十年中，将木质素转化为高性能功能材料（尤其是木质素微球）的相关研究显著增加。木质素微球具有诸多优势，如易于制备、成本低廉、生物相容性好、比表面积大、表面活性高、抗紫外线能力强以及抗氧化性能优异。大量研究表明，木质素微球可作为抗氧化剂[24]、紫外线屏蔽剂[25]、分散剂[25]、抗菌材料[26]、超级电容器电极材料[28]、染料降解光催化剂[30]、吸附剂[31]、废水中的重金属离子清除剂[32]以及原油回收剂[33]。总体而言，木质素微球的合成是一个简单且可控的过程，通过调整反应参数可以精细调控其形态、结构和性能以满足特定应用需求。
木质素微/纳米球（LMNSs）在能量存储、生物医学、环境修复、紫外线防护和催化等领域展现出巨大潜力。然而，木质素的结构异质性、溶解度低、批次间差异、粒径调控困难、放大效应以及生物安全性评估不完善等问题严重影响了其产业化进程。本文总结了木质素微球高值利用的最新进展，涵盖从可控合成和结构调控到多功能应用的各个方面，指出了当前研究热点和技术突破，并为未来深入研究提供了指导。本文涉及的粒径范围约为0至10,000纳米，分为两类：木质素纳米颗粒/纳米球（通常<1微米）和木质素微球（LMSs，1–1000微米）。特别详细讨论了木质素微球的形成机制、多种制备策略及其在多个领域的实际应用。文献检索涵盖了过去五年内的相关研究，关键词包括“木质素微球”、“可控合成”和“高值利用”。同时明确指出本文引用了约150篇参考文献，其中大部分篇目发表于2021年以后，以体现文献的时效性并增强综述的全面性。

**关键词**
木质素；微球；纳米球；高值利用；绿色化学；可持续发展