随着“双碳”目标的推进和可再生能源技术的快速发展，高效、清洁的储能技术日益受到关注。超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命，在便携式电子设备、可再生能源系统和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。电极材料是决定超级电容器性能的关键，多孔碳材料因其高比表面积、良好导电性和化学稳定性而成为研究热点。
木质素是制浆造纸和生物炼制的主要副产物，全球年产量巨大，但目前其高值化利用率极低，大部分以燃烧或直接排放方式处置，既造成资源浪费也带来环境压力。木质素具有约60–65%的碳含量和天然的芳香网络结构，是制备超级电容器多孔碳电极的理想生物质前驱体。然而，现有综述普遍缺乏对木质素前驱体特性与碳材料结构演化之间系统关联的分析，也未能对各类性能增强技术进行系统梳理。因此，系统总结木质素基多孔碳电极的多尺度结构工程和性能增强策略，对于推动工业木质素的高值化利用和超级电容器材料的发展具有重要意义。
近期，南京林业大学刘超副教授（通讯作者）与浙江科技大学翟尚儒教授（通讯作者）等人，联合山西大学韩高义教授、加拿大新不伦瑞克大学肖惠宁院士，在《Journal of Energy Chemistry》上发表综述文章，系统总结了木质素基多孔碳电极的多尺度结构工程与性能增强策略。
该综述重点阐述了四种工业木质素（木质素磺酸盐、酶解木质素、碱木质素和有机溶剂木质素）所衍生多孔碳的结构与性能差异，以及三大核心技术——孔隙结构调控（物理/化学活化、模板法）、表面修饰（杂原子掺杂、等离子体处理）和复合策略（二元/三元复合体系）——的研究现状与调控机制。在此基础上，该综述提出了“三优三角”优化框架，从孔隙结构、表面化学和复合集成三个维度协同提升电极性能，并分析了当前领域面临的原料一致性、孔结构与导电性平衡、规模化生产及性能评价标准化等核心挑战。同时，文章展望了绿色合成工艺、智能结构设计（机器学习辅助）、器件集成（柔性微型超级电容器）和全生命周期评估四个未来发展方向，为高性能木质素基超级电容器电极材料的设计提供了理论依据和技术参考。
该综述工作以“Multi-scale Structural Engineering and Performance Enhancement Strategies toward Advanced Lignin-based Supercapacitors”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。南京林业大学硕士研究生雷同、王汇杰、王润娴为共同第一作者，该工作得到了国家自然科学基金（22208161）、南京林业大学水杉启动基金（163105163）以及加拿大NSERC的资助。
过去十年间，木质素基碳材料的研究经历了从简单到复杂的快速演变：从早期的木质素衍生活性碳纤维，到三维多孔框架、梯度层状杂化结构，再到与金属氧化物、导电聚合物、MXene等构建的多组分复合体系。研究已从“追求高比表面积”转向“精确结构–性能控制”，并逐步应用于柔性、可穿戴储能器件。这一演变反映了研究者对离子传输效率、机械柔性和能量密度等综合性能的追求。
木质素基多孔碳的制备主要分为三大类：一是孔隙结构调控（物理活化、化学活化、模板法）；二是表面修饰（杂原子掺杂、等离子体处理）；三是复合策略（与金属氧化物、导电聚合物、碳材料等复合）。这些方法相互配合，共同决定了最终碳材料的孔隙特征和电化学性能。
图3. (a) 木质素三种基本单体；(b) 四种工业木质素来源；(c) 不同木质素基多孔碳在超级电容器电极中的应用示意图。
木质素并非单一结构，根据制浆或生物炼制工艺的不同，工业木质素主要分为四种：木质素磺酸盐（LS）、酶解木质素（EHL）、碱木质素（AL，包括硫酸盐木质素和烧碱木质素）和有机溶剂木质素。它们的分子量、官能团和杂质含量差异显著，直接影响所制多孔碳的孔隙结构和电化学性能。木质素磺酸盐富含磺酸基，易与导电基质形成三维网络；酶解木质素保留了较完整的天然芳香结构，碳化后易形成大孔和介孔；碱木质素产量最大，可通过杂原子自掺杂提升润湿性；有机溶剂木质素纯度高、结构规整，但成本较高。理解这些差异，是理性设计电极材料的第一步。
在孔隙结构调控方面，常用方法包括物理活化（CO2、水蒸气、微波）、化学活化（KOH、H3PO4、ZnC2O4）和模板法（硬模板、软模板）。单纯追求超高比表面积（>2500 m2/g）可能导致孔道连通性和导电性下降。在1200–1600 m2/g范围内，许多材料能实现85%以上的倍率容量保持率。微波辅助活化可将处理时间从数小时缩短至数分钟。
在表面修饰方面，杂原子掺杂（N、S、P、B、O等）可调节电子结构、引入缺陷、改善润湿性并提供赝电容。多元素共掺杂（如N/S、N/P/O）表现出优于单掺杂的协同效应。等离子体技术可在低温、无溶剂条件下引入官能团并刻蚀造孔。
在复合策略方面，木质素基多孔碳通过与金属氧化物（MnO2、Bi2O3、SnO2）、导电聚合物（PANI、PPy、PEDOT）或纳米碳（石墨烯、碳纳米管）复合，可弥补导电性不足和能量密度低的问题。界面设计是关键，通过静电自组装、原位聚合或化学键合（如Mn–O–C、C–N）确保活性物质均匀分散和电子/离子传输畅通。三元复合体系（如rGO/PC/MnO2）可构建双通道网络，但制备复杂性较高。
图6. 基于木质素的三元多孔碳复合材料的制备与性能。
基于对文献的系统分析，该综述提出了“三优三角”框架。三个顶点分别为孔隙结构（比表面积、孔径分布、连通性）、表面化学（杂原子掺杂、官能团、润湿性）和复合集成（界面结合、协同效应、机械稳定性）。三者相互关联，任何单一维度的过度优化都可能牺牲其他维度的性能。化学活化虽能获得超高比表面积，却可能降低导电性和孔道连通性；杂原子掺杂可引入赝电容，但高温下掺杂位点易损失；复合体系能提升能量密度，但界面相容性差会导致电荷转移电阻增大。理想的电极材料需要在这三个维度之间找到平衡点，这也是未来理性设计的核心。
图7. 木质素基多孔碳电极的“三优三角”优化框架示意图。
图8. 木质素衍生多孔碳作为超级电容器电极材料的挑战与机遇。
尽管木质素基多孔碳在超级电容器领域展现出巨大潜力，但当前仍面临多项挑战。主要挑战包括：原料一致性差，不同前驱体差异显著且缺乏标准化；结构矛盾突出，高孔隙率与高导电性难以兼顾；制备存在瓶颈，工艺具有高腐蚀性、高能耗、高成本的特点，难以规模化生产；评价机制不统一，测试条件不一致导致横向比较困难。针对这些问题，该综述提出了四个未来发展方向。一是绿色制备，开发生物质活化剂、低能耗技术，探索共碳化策略。二是智能设计，利用机器学习预测“前驱体–结构–性能”关系，通过3D打印构建定制化结构。三是器件集成，发展柔性电极、宽电压电解质，推动可穿戴应用。四是系统评估，开展全生命周期分析和产业化推广研究。木质素基多孔碳为超级电容器提供了高性能、可持续的电极材料，也是实现工业木质素高值化利用的典型范例。
Multi-scale Structural Engineering and Performance Enhancement Strategies toward Advanced Lignin-based Supercapacitors
Tong Lei#, Huijie Wang#, Runxian Wang#, Farzad Seidi, Shangru Zhai*, Chao Liu*, Gaoyi Han, Huining Xiao
Journal of Energy Chemistry
DOI: 10.1016/j.jechem.2026.04.002
刘超
Chao Liu serves as an associate professor and master’s supervisor at the College of Light Industry and Food Engineering, Nanjing Forestry University. He obtained his Ph.D. in Pulp and Paper Engineering from South China University of Technology in June 2021. During his doctoral program, he visited Northeastern University and Boston University in the United States as a visiting scholar. In the same year, he joined Nanjing Forestry University, where his research focuses on biomass‑derived multifunctional materials for sustainable applications. He has published more than 70 scientific papers in peer-reviewed journals such as Advanced Materials, Energy Storage Materials, Matter, and Journal of Materials Chemistry A.
翟尚儒
Shangru Zhai is a professor at the School of Environmental and Natural Resources, Zhejiang University of Science and Technolog. He Obtained his Ph.D. in Physical Chemistry from the Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, in July 2005. After completing his doctorate, he carried out postdoctoral research in the Department of Polymer Science and Engineering at Pusan National University, South Korea. His research focuses on biomass-based environmental functional materials. To date, he has published more than 200 scientific papers in peer-reviewed journals, which have garnered nearly 12,000 citations with an H-index of 61. He has been continuously included in the “World’s Top 2% Scientists” list for several consecutive years.
