木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換性能提升策略及其應(yīng)用研究進展

摘 要： 隨著全球能源危機和環(huán)境問題日益嚴峻，開發(fā)高效、清潔、可再生的能源技術(shù)成為當務(wù)之急。光熱轉(zhuǎn)換材料通過高效吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能，不僅拓寬了太陽能的利用維度，還能有效降低對傳統(tǒng)化石能源的依賴。近年來，木質(zhì)素在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。作為自然界中儲量最大的芳香族有機高分子化合物，木質(zhì)素具有眾多不飽和基團和共軛結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出相當大的光熱轉(zhuǎn)換潛力，目前已在能源收集與存儲、海水淡化、光熱治療等領(lǐng)域得到探索。本文介紹了木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)、光熱轉(zhuǎn)換原理和改性策略，綜述了不同木質(zhì)素基光熱材料的制備方法及其在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展，對其未來的發(fā)展進行了展望，以期為新型光熱轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)素；改性；光熱轉(zhuǎn)換；太陽能；能源利用

中圖分類號：TS7；TS01 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 001

作為地球上儲量最豐富且分布最廣泛的清潔能源，太陽能在應(yīng)對全球氣候變化、緩解化石能源危機、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)體系等關(guān)鍵領(lǐng)域具有不可替代的戰(zhàn)略價值[1]。光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是高效利用太陽能的關(guān)鍵路徑之一，其獨特的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)太陽光譜的全波段有效吸收與轉(zhuǎn)化，從而大幅提高太陽能的整體利用效率[2]。太陽發(fā)射紫外線、可見光和紅外線輻射能量，這些光攜帶不同振動頻率的光子，在遇到物體時部分光子被物體吸收，導(dǎo)致物體溫度升高[3]，即實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。與其他太陽能利用技術(shù)相比，光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)可以直接獲取并利用太陽能，能夠?qū)⑽盏拇蟛糠止饽苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，而且具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率[4-6]。因此，開發(fā)光熱材料是有效降低化石能源依賴、助力碳中和目標，并推動清潔能源應(yīng)用的關(guān)鍵。

光熱轉(zhuǎn)換材料的類型可分為貴金屬納米材料、過渡金屬材料、碳基納米材料和有機共軛材料。盡管這些光熱材料受到了廣泛的關(guān)注且一直是研究重點，但仍然表現(xiàn)出一些缺點，如成本高、不可降解、生物毒性大等；由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有機光熱材料易受到光漂白的影響；此外，有機共軛材料的合成涉及有毒化學試劑。因此，探索環(huán)保、穩(wěn)定、高效的光熱轉(zhuǎn)化材料是低碳可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

木質(zhì)素作為自然界中含量豐富的天然多酚，無毒無害，但長期以來僅作為農(nóng)林業(yè)和造紙等工業(yè)廢棄物并進行填埋或燃燒供能等低值化利用[7]，這不僅是對生物質(zhì)資源的極大浪費，還會對環(huán)境造成巨大壓力。如今，利用木質(zhì)素代替其他多酚化合物制備清潔環(huán)保、可再生材料的研究越來越多。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量的不飽和基團和共軛結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素未經(jīng)化學改性就已具有較寬的太陽光吸收范圍和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力。木質(zhì)素內(nèi)部含有豐富的官能團，可通過化學基團改性或與其他物質(zhì)交聯(lián)，從而提升光熱性能。得益于其可調(diào)控的光吸收性能和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率，木質(zhì)素及其衍生物已成為光熱材料領(lǐng)域的重要研究對象。

綜上所述，木質(zhì)素具有綠色無毒、可生物降解、價格低廉、化學反應(yīng)活性高、可調(diào)的光吸收范圍及高光熱轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢，在清潔能源開發(fā)和先進生物基材料制造領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前國內(nèi)外對木質(zhì)素應(yīng)用于光熱材料的研究還處于初級階段。本文首先對木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和光熱轉(zhuǎn)換機理進行了基本概述，討論了木質(zhì)素的幾種改性方式和增強光熱性能的原理；總結(jié)了近年來木質(zhì)素基光熱材料的應(yīng)用研究進展；最后對木質(zhì)素在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展與挑戰(zhàn)進行了評價，以期為生物質(zhì)基光熱材料的后續(xù)研發(fā)提供思路。

1 木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換機理

木質(zhì)素是一種由苯基丙烷 （主要為紫丁香基、愈創(chuàng)木基和對羥苯基） 基本結(jié)構(gòu)單元組成的高度復(fù)雜的芳香族有機聚合物 （圖1（a））[8]，是除纖維素之外的第一大天然有機聚合物。在造紙工業(yè)中，木質(zhì)素的天然結(jié)構(gòu)被酸、堿和高溫條件破壞，導(dǎo)致發(fā)色團 （苯環(huán)、醌甲基、羰基、碳碳雙鍵） 和同色基團 （酚羥基） 的形成[9]，因此得到的工業(yè)木質(zhì)素為深棕色，而深色提高了其本身光吸收能力。根據(jù)木質(zhì)素的提取方式，木質(zhì)素可分為堿木質(zhì)素、硫酸鹽木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽、有機溶劑木質(zhì)素、酶解木質(zhì)素等；從不同原料中提取的木質(zhì)素也不盡相同[10-11]。堿木質(zhì)素、硫酸鹽木質(zhì)素分子質(zhì)量較低，且含有大量的活性基團，如酚羥基、羧基等；硫酸鹽木質(zhì)素和木質(zhì)素磺酸鹽含有大量雜原子[12]；提取條件溫和的酶解木質(zhì)素分子質(zhì)量較大，且酚羥基含量較少，光熱能力較弱。這些差異直接影響木質(zhì)素分子內(nèi)和分子間相互作用與木質(zhì)素中發(fā)色基團和同色基團的濃度，進而影響其光熱轉(zhuǎn)化性能。無論采用何種方法獲得木質(zhì)素，天然木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)構(gòu)型在分離過程中均會發(fā)生改變。目前天然木質(zhì)素的準確結(jié)構(gòu)還無法確定，研究人員大多從木質(zhì)素的官能團以及空間位阻的角度來解析木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換能力。

木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換能力主要受發(fā)色基團和同色基團的含量以及其在木質(zhì)素分子間的共軛和堆疊效應(yīng)影響[13]。在低能照射下，分子中呈松散狀態(tài)的電子很容易從 π 軌道激發(fā)到 π*軌道，當入射光子的能量滿足木質(zhì)素的電子躍遷時，π電子將從基態(tài)激發(fā)到更高能量的態(tài)，通過振動-電子耦合將激發(fā)態(tài)的電子弛豫到基態(tài)后，多余的能量會以熱量的形式釋放出來。隨著π鍵數(shù)量的增加，兩帶隙間能量減小，分子的光吸收能力也隨之增強，所以具有豐富的共軛π鍵的物質(zhì)更容易通過吸收入射光的方式激發(fā)電子，再通過分子熱振動的形式將吸收的能量轉(zhuǎn)換為熱能，因而表現(xiàn)出更高的光熱轉(zhuǎn)換效率[14]。木質(zhì)素的芳香環(huán)和共軛官能團有利于木質(zhì)素分子間的強共軛相互作用，這種結(jié)構(gòu)促進電子躍遷到能量更高的軌道[15]。因此，增強木質(zhì)素分子內(nèi)和分子間共軛效應(yīng)可以提高其光熱轉(zhuǎn)換能力。

2 增強木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換能力的改性策略

木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換強度和效率往往不能滿足實際應(yīng)用，而木質(zhì)素化學修飾靈活，為了增強其光熱性能，常對木質(zhì)素進行改性，引入或修飾官能團以促進木質(zhì)素分子的π-π堆積來增強光熱轉(zhuǎn)換效率，本質(zhì)上是促進木質(zhì)素共軛芳香結(jié)構(gòu)的電子離域、減少電子躍遷的帶隙。目前增強π-π堆積的主要方法有酚化、純化、乙?；坊?、金屬離子螯合等 （圖2），表1為幾種改性方式的簡單比較。

木質(zhì)素的酚化可使木質(zhì)素分子的酚羥基增多，導(dǎo)致分子間作用力增強，故光熱轉(zhuǎn)化能力增強[20]。Yang等[16]將木質(zhì)素的酚羥基含量顯著提高 18.05 倍，在1 W/cm2光輻射下，酚化木質(zhì)素vitrimer化合物的光熱效率達到了93.2%。另外，純化去除了雜質(zhì)和共軛較少的組分，且木質(zhì)素分子在靠近時有堆積的自然趨勢，通過超分子自組裝，使得剩余的木質(zhì)素能夠形成更有序和平面的結(jié)構(gòu)，減小苯環(huán)之間的距離并增強π-π堆積[21-22]，如圖1（b）所示。在無序的木質(zhì)素聚集體中，親水性部分和疏水性部分是隨機排列的。苯環(huán)之間的平均距離相對較大，導(dǎo)致了苯環(huán)與其他苯環(huán)發(fā)生π-π的相互作用較少。相比之下，無序的木質(zhì)素聚集體通過超分子自組裝后，親水和疏水部分有序排列。

苯環(huán)之間的平均距離相對較小，在π-π相互作用的有效距離內(nèi)放置的苯環(huán)較多，有效地增強了木質(zhì)素的π-π 共軛[23]。Shao 等[17]研究表明，碘環(huán)己烷對木質(zhì)素的活化破壞了分子結(jié)構(gòu)并降低了木質(zhì)素的甲氧基含量，間接增強了酚羥基含量和分子間鍵合，酚羥基之間的氫鍵作用加劇了苯環(huán)之間的π-π相互作用，提高了木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換性能，促進了非輻射衰變轉(zhuǎn)化為熱能的過程。

木質(zhì)素的羥基可以形成強氫鍵相互作用，增強木質(zhì)素分子的π-π堆積。然而，分子間相互作用過強會使分子聚集過于緊密，嚴重限制了木質(zhì)素的分子運動并且不利于非輻射衰變。增加木質(zhì)素接枝共軛結(jié)構(gòu)數(shù)量、減弱分子間相互作用、增強分子運動，可以獲得更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。Lei 等[18]通過吸電子基團 （乙?；?對木質(zhì)素進行修飾，形成電子供體-受體共軛結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素分子之間的分子間相互作用也減少，導(dǎo)致分子運動誘導(dǎo)的非輻射衰變增強，木質(zhì)素的光熱效應(yīng)得到了顯著改善，并增強了光吸收能力。與未改性的木質(zhì)素相比，乙酰化的木質(zhì)素顯著降低了 0.24 eV的帶隙，導(dǎo)致光吸收改善。Shi 等[19]發(fā)現(xiàn)，在木質(zhì)素苯環(huán)上成功接枝胺基后，可以形成電子離域和空間共軛，胺基和苯環(huán)之間的電荷轉(zhuǎn)移表明存在供體-受體結(jié)構(gòu)。引入供電子的含 N 基團 （—NH2、—NH—、—C=N—和—CONH—） 減小了帶隙，使木質(zhì)素的波長發(fā)生紅移，含N官能團的聚集有助于電子躍遷和分子間（或內(nèi)）電子離域，穩(wěn)定了非輻射旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。

多酚結(jié)構(gòu)與金屬離子螯合通過擴展多酚的共軛平面、調(diào)控電子離域范圍及動態(tài)配位結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)可見光至近紅外區(qū)域的光吸收可調(diào)性。Zhao等[24]用去甲基化木質(zhì)素與 Fe3+配位制備 D-Lig-Fe。結(jié)果表明，去甲基后酚羥基占比增大，再與金屬離子Fe3+螯合，使得輻射遷移減弱、非輻射遷移增強，而且吸光譜出現(xiàn)了紅移，能有效且穩(wěn)定地利用太陽光譜中的光子產(chǎn)生熱。

3 木質(zhì)素基光熱轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用

基于木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換機制，利用相匹配的改性策略，可制備具有更高光熱轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的光熱材料，為實現(xiàn)木質(zhì)素的高附加值應(yīng)用提供新的路徑。近年來，木質(zhì)素基光熱材料逐漸被研究人員報道并應(yīng)用于海水蒸發(fā)、光熱發(fā)電、光熱愈療、節(jié)能建筑等領(lǐng)域。

3. 1 海水蒸發(fā)

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，水污染問題日益加劇，淡水短缺逐漸成為緊迫的全球性問題，海水淡化被認為是緩解淡水問題的有效途徑[25-26]。太陽能界面蒸發(fā)是基于傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換過程而開發(fā)的一種新型海水淡化技術(shù)[27]。與整體蒸發(fā)系統(tǒng)相比，界面蒸發(fā)將太陽熱量和生成的蒸汽限制在水-空氣界面[28]。然而蒸發(fā)器材料對蒸發(fā)效率具有至關(guān)重要的影響，木質(zhì)素的多酚結(jié)構(gòu)已被證明可以增強蒸發(fā)器的機械強度、促進水分的快速輸送[29]、吸收重金屬離子[30]、降低蒸發(fā)焓[31]。因此，將木質(zhì)素用于太陽能蒸發(fā)器引起了人們的廣泛關(guān)注。木質(zhì)素界面太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)類型見圖3（a）。

Xi等[32]以木質(zhì)素和聚氨酯泡沫為光熱材料制備的LPUF 可用于太陽能蒸發(fā)，并探究了木質(zhì)素分解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與蒸發(fā)性能的關(guān)系。木質(zhì)素的加入有效地提高了LPUF 吸水膨脹后的力學性能，并賦予了泡沫光熱轉(zhuǎn)換能力，且隨木質(zhì)素分子質(zhì)量和用量的增加而增強。LPUF的水蒸發(fā)速率高達2.58 kg/（m2·h），在LPUF表面負載聚苯胺 （PANI） 后，由于協(xié)同作用進一步提高至3.00 kg/（m2·h）以上。LPUF-PANI對染料廢水具有良好的凈化效果，具有出色的長期穩(wěn)定性，為生態(tài)友好和經(jīng)濟可持續(xù)的淡水生產(chǎn)提供了潛在的解決方案。Jeno等[33]利用木質(zhì)素納米顆粒和纖維素納米纖維分別用作生物可再生的光吸收劑和親水性載體，開發(fā)了一種光吸收多孔水凝膠，再通過種子介導(dǎo)的生長與金納米粒子共價交聯(lián)和雜交，以增強其機械穩(wěn)定性、親水性和光熱轉(zhuǎn)換性能，構(gòu)建了一個有效的界面加熱系統(tǒng)，應(yīng)用于高效太陽能蒸餾脫鹽 （圖3（b）），在1個太陽 輻 射 下 表 現(xiàn) 出 卓 越 和 持 久 的 高 鹽 和 pH 耐 受 性、3.17 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率和 83.4% 的蒸發(fā)效率。Chen等[34]以帶相反電荷的殼聚糖和木質(zhì)素為原料，在堿性尿素溶劑中，通過交聯(lián)和冷凍干燥的方法成功制備了雜化氣凝膠，再利用納米銀的協(xié)同光熱效應(yīng)，制備一種具有高太陽光捕獲能力和高光熱轉(zhuǎn)換速率的蒸發(fā)器。氣凝膠上豐富的親水基團可以活化水分子，使水的蒸發(fā)焓顯著降低 62%，在 1 kW/m2照射下，實現(xiàn)了3.57 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率和 92.1% 的蒸發(fā)效率。Yue等[35]使用改性酚醛木質(zhì)素作為光熱轉(zhuǎn)換材料，絲瓜絡(luò)作為水傳輸層，構(gòu)建了全生物質(zhì)太陽能蒸發(fā)器，并在1個太陽光強下實現(xiàn)了 1.75 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率和高達 97.6%的蒸發(fā)效率 （圖 3（c））。所獲得的蒸發(fā)器不僅具有約100%的穩(wěn)定脫鹽率，而且抑制了鹽結(jié)晶以確保水輸送。實驗驗證了噴涂聚乙二醇后，蒸發(fā)器可以儲存多余能量并在黑暗中觸發(fā)海水持續(xù)蒸發(fā)，因此對全天候海水淡化具有重要貢獻。

3. 2 光熱發(fā)電

太陽能熱電發(fā)電機是一種吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱量的裝置，利用上下表面之間的溫差發(fā)電[36]。木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)化材料可將吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能。這種材料在能源收集、存儲和轉(zhuǎn)換方面具有重要的應(yīng)用價值。

Li等[20]將低分子質(zhì)量的堿木質(zhì)素作為光熱劑與聚乙烯彈性體復(fù)合，在近紅外光照射下，其光熱轉(zhuǎn)換效率高達53.7%，光熱溫度超過280 ℃。所制備的發(fā)電機對光敏感，產(chǎn)生的電壓隨著光強的增加從0.10 V增至0.23 V，發(fā)電機產(chǎn)生的電能可以驅(qū)動電風扇運轉(zhuǎn)，可將遠程照明轉(zhuǎn)化為更容易使用的電能，證明該太陽能發(fā)電裝置具有良好的響應(yīng)性。Wang等[37]將堿木質(zhì)素納米膠束與以木質(zhì)素為原料制備的水性聚氨酯 （LWPU）乳液共混制備了強韌的 LWPU/木質(zhì)素納米復(fù)合材料（圖4（a）和圖4（b））。模擬太陽光照射涂有0.1 mm LWPU/DAL涂層的熱發(fā)電機 （TEG），涂層將光轉(zhuǎn)化為熱能，并進一步將熱量傳遞到TEG的上表面，而TEG的下表面與冷源接觸后，與上表面形成溫差并發(fā)電，所產(chǎn)生的電壓在90 s內(nèi)穩(wěn)定，表明此時TEG兩側(cè)的溫差是恒定的，溫差隨著光功率的增大而增大，當輸出電壓gt;0.4 V時，驅(qū)動小風扇旋轉(zhuǎn)。Zhao等[38]介紹了木質(zhì)素顆粒 （L-NPs） 進行光熱轉(zhuǎn)換的裝置 （圖 4（c）～圖 4（e））。木質(zhì)素可以簡單通過室溫下的自組裝方法轉(zhuǎn)化為L-NPs。 粉 末 狀 L-NPs 在 很 寬 的 波 長 范 圍 （200～2 400 nm） 有吸光度，可與太陽光譜重疊。另外，他們還證實了L-NPs作為光熱轉(zhuǎn)換太陽能吸收材料的潛力。L-NPs的表面溫度在 30 min內(nèi)從 28 ℃升至 63 ℃，在標準太陽輻射 （100 mW/cm2） 下穩(wěn)定進行光熱轉(zhuǎn)換 （22%），在 100～200 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，表明其具有作為光熱試劑的潛力，可成功驅(qū)動熱電發(fā)電機和太陽能蒸汽發(fā)生器。Shao等[39]以 3種不同官能團含量的木質(zhì)素為研究對象，通過2種反應(yīng)途徑考察了木質(zhì)素對 CuS 粒徑和溶液穩(wěn)定性的潛在影響。結(jié)果表明，由于CuS與木質(zhì)素分子間的強配位和靜電吸引作用，根據(jù)木質(zhì)素含量可調(diào)控CuS納米粒子的粒徑。利用木質(zhì)素引導(dǎo)的CuS穩(wěn)定溶液制備的PVA光熱薄膜具有 95% 的太陽能吸收率、49% 的光熱轉(zhuǎn)換效率和0.38 V的出色溫差發(fā)電能力。

3. 3 光熱愈療

木質(zhì)素基天然光熱材料，有殺菌活性、強生物相容性，可用作藥物載體，在癌癥藥物治療方面比蛋白質(zhì)和其他聚合物更有潛力[40-41]。光熱治療是一種有效的物理治療方法，其原理是利用光照，使富集于腫瘤部位的光敏劑藥物將光能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生局部高溫，引起腫瘤細胞或組織內(nèi)部發(fā)生一系列生物化學反應(yīng)，最終達到細胞凋亡、殺死病變組織的目的[42-43]。Fan 等[44]報道了一種基于木質(zhì)素衍生物輔助構(gòu)建的亞10 nm超分子自組裝體，顯著提高了對乳腺癌的治療效果。納米組裝體在光熱治療中誘導(dǎo)放大的免疫原性細胞死亡，激活樹突狀細胞并啟動細胞毒性T細胞反應(yīng)，有效促進了對激光照射的原發(fā)腫瘤和遠處腫瘤的系統(tǒng)特異性T細胞免疫。Chao等[45]報道了一種具有高效光熱抗菌活性的木質(zhì)素/聚乙烯醇水凝膠復(fù)合材料，可以有效解決感染傷口愈合問題。結(jié)果表明，水凝膠在適當功率的近紅外激光照射下，其光熱效應(yīng)可有效殺滅細菌，有光熱抗菌作用的水凝膠敷料可縮短炎癥期，促進肉芽組織增生、上皮再生和血管生成，同時還能抑制瘢痕的形成，增加纖維結(jié)締組織的增殖，加速膠原蛋白的沉積，促進傷口快速愈合，有望成為一種優(yōu)良的抗菌性傷口敷料。

另外，木質(zhì)素還能通過光熱轉(zhuǎn)化而局部升溫，對細菌、病毒等病原體進行物理滅活。Chen等[46]以木質(zhì)素為穩(wěn)定劑和還原劑，構(gòu)建了具有鈀納米粒子節(jié)點的金屬-酚醛網(wǎng)絡(luò) （圖 5（a））?；腔举|(zhì)素鈀 （SLS-Pd）具有超細尺寸的鈀納米顆粒和寬帶近紅外吸收，表現(xiàn)出優(yōu)異的類氧化酶活性和穩(wěn)定的光熱效應(yīng)。SLS-Pd介導(dǎo)的協(xié)同抗菌系統(tǒng)在對抗各種多微生物生物膜方面表現(xiàn)出顯著的功效 （圖 5（b））。通過建立根管模型和口咽部念珠菌病模型，進一步驗證了協(xié)同抗菌系統(tǒng)治療口腔生物膜相關(guān)感染的可行性 （圖 5（c））。在協(xié)同處理過程中，詳細測量了根管口和根管內(nèi)、根管尖部的溫度變化 （圖5（d）和圖5（e）），安全、有效地清除了根管治療中的細菌生物膜。Xie 等[47]利用木質(zhì)素制備的納米復(fù)合材料LS-CuS （圖5（f）），在近紅外光激活下展示出增強的光熱效應(yīng)和類過氧化物酶活性，實現(xiàn)了高效殺菌。如圖5（g）所示，在 H2O2條件下近紅外光照射 5 min，LS-CuS 納米復(fù)合材料使大腸桿菌和金黃色葡萄球菌顯著減少，且與LWPU混合制備的復(fù)合膜在5 min內(nèi)也達到了超過90%的殺菌效率。

3. 4 節(jié)能建筑

木質(zhì)素憑借其獨特的芳香骨架、多活性位點 （如酚羥基、醚鍵） 及可調(diào)控的化學結(jié)構(gòu)，在功能材料領(lǐng)域展現(xiàn)出多維應(yīng)用潛力，尤其在室內(nèi)保暖防曬、室外玻璃除冰等方面。木質(zhì)素中豐富的發(fā)色基團使其能夠吸收太陽能并阻擋紫外線輻射，從而成為節(jié)能建筑領(lǐng)域具有潛力的光熱轉(zhuǎn)換材料[48]。

Liu 等[49]將含有質(zhì)量分數(shù) 20% 木質(zhì)素納米顆粒嵌入殼聚糖基質(zhì)，所制備的納米復(fù)合材料在 400 nm 處表現(xiàn)出 97% 的紫外線阻擋效率，將復(fù)合材料暴露于100 mW/cm2陽光下照射，溫度從 23 ℃升至 40 ℃僅用120 s，之后在持續(xù)10 min輻射內(nèi)波動很小，一直維持在 41 ℃左右。另外，將含有質(zhì)量分數(shù) 20% 木質(zhì)素納米顆粒的納米復(fù)合材料作為光熱玻璃涂層，通過調(diào)整涂層厚度實現(xiàn)了室內(nèi)溫度的冷卻。在模擬100 mW/cm2的太陽輻射下，20 μm 涂層與未涂覆玻璃的系統(tǒng)相比，溫度降低了 58% （圖 6（a））。Yang 等[50]將含高碘酸鹽氧化木 （POW） 作為支撐材料，并原位保留木質(zhì)素作為光吸收劑摻雜劑，開發(fā)了一種可持續(xù)多孔支撐 POW/PCM 復(fù)合材料，具有出色的形狀穩(wěn)定性，從而解決了液體泄漏問題，實現(xiàn)快速導(dǎo)熱以達到最大能量 存 儲 體 積 。 所 得 POW/PCM 復(fù) 合 材 料 表 現(xiàn) 出 約86.7%的高光熱轉(zhuǎn)換效率和151 J/g的高潛熱，固定在模型房屋頂上，可保持室內(nèi)溫度相對恒定，在智能建筑的熱調(diào)節(jié)中顯示出巨大潛力。

木質(zhì)素的顯著光熱效應(yīng)在墻壁和屋頂?shù)某杷繉又惺怯欣?，可通過將超疏水表面的抗黏附機制與光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，促進有效除冰。Ma 等[51]報道了在 γ-戊內(nèi)酯/水二元體系中通過動力學調(diào)控制備具有寬尺寸控制范圍和高固體含量的木質(zhì)素微納米球（LMNS）。將制備的 LMNS 進一步用于木材表面制備功能性超疏水涂層，其水接觸角為165.8°，滑動角為5°，該涂料在一系列測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的機械和化學穩(wěn)定性，同時還具有良好的耐有機溶劑性能。如圖 6（b）所示，環(huán)氧樹脂涂層上的水滴在接觸時變成橢圓形，并在395 s后完全凍結(jié)；相比之下，添加LMNS后表面的水滴呈球形，凍結(jié)時間延遲至 534 s，表明超疏水涂層具有優(yōu)異的防冰能力。當水滴接觸涂層表面時，由于空氣的低傳熱效率，在液滴下方形成空氣層，以防止熱量從基底傳遞到液滴，從而有效延長凍結(jié)時間 （圖6（c））。該涂層具有良好的光熱效應(yīng)，在高效除冰、抗菌等方面具有潛在的應(yīng)用前景 （圖6（d））。Wu具有氨基官能團的木質(zhì)素納米粒子等[52]采用氨基磺酸和尿素為低共熔溶劑，并在白楊單板表，制備了面構(gòu)建了具有紫外屏蔽性能的保護層。木質(zhì)素納米粒子的酚羥基、羰基和共軛結(jié)構(gòu)賦予了復(fù)合材料紫外屏蔽、光熱轉(zhuǎn)化和光熱除冰的性能。木質(zhì)素納米粒子光熱轉(zhuǎn)化釋放的熱量賦予改性白楊單板光熱除冰性能。此外，復(fù)合材料具有超疏水性和耐久性，使白楊單板能夠通過水化實現(xiàn)自清潔 （圖 6（e）），有利于延長白楊單板在室外惡劣環(huán)境中的使用壽命。改性后的白楊單板具有多種特性，有利于擴大木質(zhì)素作為紫外線屏蔽材料的高附加值用途，以及木質(zhì)素在多功能復(fù)合材料中的應(yīng)用。

4 結(jié)語與展望

面對全球能源危機問題，利用可再生的生物質(zhì)資源進而開發(fā)高效光熱轉(zhuǎn)換材料，對減少化石能源的消耗具有重大意義，光熱材料的發(fā)展能夠充分利用太陽能這一清潔可再生能源。本文對木質(zhì)素的分子結(jié)構(gòu)、改性策略、木質(zhì)素基光熱材料的研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了概述。雖然木質(zhì)素基光熱轉(zhuǎn)換材料在緩解能源壓力的同時促進了木質(zhì)素的高值化利用，但目前還有很多困難和挑戰(zhàn)仍需深入研究，以期有針對性地開發(fā)新型高效光熱轉(zhuǎn)化材料。在今后的研究中應(yīng)著重解決以下問題。

4. 1 木質(zhì)素分子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機制需要進一步研究。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣并且具有超高反應(yīng)活性，通過各種分離工藝獲得的工業(yè)木質(zhì)素由于不同的分餾條件和生物質(zhì)來源而表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)變異性，至今無法得到木質(zhì)素的真實分子結(jié)構(gòu)，其衍生物的具體結(jié)構(gòu)更無法精準確定，進而制約材料性能穩(wěn)定性。未來研究將聚焦于發(fā)展多組學聯(lián)用技術(shù) （如單分子測序與時空分辨質(zhì)譜） 解析木質(zhì)素原位構(gòu)效關(guān)系；開發(fā)仿生酶催化體系實現(xiàn) C—C 鍵的位點選擇性斷裂與重構(gòu)；構(gòu)建跨尺度原位表征平臺 （如同步輻射X射線成像聯(lián)合原位拉曼），動態(tài)追蹤分離過程中超分子組裝行為；推進木質(zhì)素數(shù)字模型構(gòu)建，通過量子化學計算與分子動力學模擬預(yù)測其光熱響應(yīng)機制，最終建立涵蓋“原料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能”全鏈條的標準化技術(shù)體系。

4. 2 規(guī)?；a(chǎn)中溶劑回收與能耗控制等工程化難題亟待突破。未來應(yīng)探索簡單的、綠色的、低成本的改性策略，設(shè)計和精確調(diào)控木質(zhì)素衍生物的結(jié)構(gòu)，推動木質(zhì)素光熱材料標準化生產(chǎn)。另外，木質(zhì)素光熱材料生命周期碳足跡評估與閉環(huán)回收體系有待加強。即使原材料本身是低碳和環(huán)保的，它們的加工和轉(zhuǎn)化也可能難以實現(xiàn)規(guī)模化或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生不利影響。采用可循環(huán)溶劑替代傳統(tǒng)有機溶劑和連續(xù)生產(chǎn)工藝減少溶劑損失和能源消耗；通過材料設(shè)計實現(xiàn)木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換材料的整體回收利用 （如動態(tài)酯鍵/二硫鍵的可逆斷裂-重組），最大限度地發(fā)揮材料的環(huán)保特性；或者開發(fā)酶降解回收技術(shù)，實現(xiàn)材料無害化再生。

4. 3 深入研究木質(zhì)素的光學性質(zhì)十分必要。木質(zhì)素的光學特性也可用來評估材料性能，但目前對木質(zhì)素光熱材料的評估主要集中在吸收率和光熱效率上，對于木質(zhì)素輻射性能及光反射、偏振等的評價有限。為了更深入地了解木質(zhì)素材料的潛在機制以實現(xiàn)更充分、高效地應(yīng)用，必須重視測量材料的光學特性。未來研究應(yīng)聚焦于系統(tǒng)解析木質(zhì)素多元光學維度特性及材料多尺度結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)機制，采用光譜聯(lián)用技術(shù)全波段解析木質(zhì)素在吸收、反射、透射及偏振光下的響應(yīng)特性，同時開發(fā)高精度原位檢測技術(shù)以揭示光-物質(zhì)作用過程中的能量傳遞路徑。

總而言之，目前對木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換材料的研究仍處于發(fā)展的初級階段，隨著對木質(zhì)素結(jié)構(gòu)研究的不斷完善和改性方式的不斷進步，未來有望突破現(xiàn)有光熱轉(zhuǎn)換效率的理論極限。木質(zhì)素將有可能成為一種制造成本低、高性能、工藝簡單、綠色無污染的光熱劑，加速光熱轉(zhuǎn)換材料的發(fā)展。

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（責任編輯：蔡 慧）