三素分离，如何拿到高附加值的木质素？

来源：市场资讯

（来源：生物基能源与材料）

生物基纤维材料全国重点实验室，浙江理工大学教授 许凤， 将出席SMF 2026 非粮可持续材料与燃料年会（11月25-27日·杭州），并担任大会共同主席，欢迎产业界交流合作！

非粮生物质进展 | 许凤教授

木质素占木质纤维素干物质的15%–25%，是自然界储量最丰富的芳香族聚合物，也是为数不多可以替代石化芳香碳源的天然高分子。从硬碳负极到可降解包装膜，从酚醛树脂到超级电容器电极，木质素的高值化应用前景涵盖电子材料、能源存储等多个赛道。然而现实是，全球每年从制浆造纸工业黑液中回收的木质素，绝大多数被直接焚烧——当作低值燃料烧掉，鲜少进入高值化利用链条。

木质素储量丰富、用途广泛，但几十年来始终未能实现大规模高值化利用。瓶颈在哪里？

问题不在于木质素没有价值，而在于传统的分离方法把它“拆废了”——破坏了木质素的活性结构，让它丧失后续具备高附加值的可能。而现在，一种低共熔溶剂（DES）技术正在改变这个局面。

01

为什么“拆”不开？

要理解木质素为什么难分离，需要先回到植物细胞壁的微观结构。

木质纤维素由三大组分构成：

• 纤维素（30%–50%）提供骨架强度；

• 半纤维素（20%–40%）充当填充基质；

• 木质素（15%–25%）则像“胶水”一样将三者粘结在一起，主要存在于次生壁，在细胞角隅处浓度最高。

三者通过共价键和非共价键紧密缠结，形成木质素-碳水化合物复合物（LCC）。

高效分离木质素，促进其高值化利用》

关键难点在于木质素与半纤维素之间的共价键。研究已确认至少3种联结方式——苯基糖苷键、α-酯键和苄基醚键，它们将木质素与半纤维素牢牢“焊”在一起。

高效分离木质素，促进其高值化利用》

此外，木质素自身的化学结构同样复杂：它由三种苯丙烷单元（分别带愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基结构的G型、S型、H型）通过醚键和碳-碳键随机连接，形成无定型的三维网状高分子。其中，β-O-4醚键是木质素内部含量最高的键型，也是决定木质素反应活性的关键结构——保留得越多，木质素的后续利用价值越高。

传统工业分离方法——硫酸盐法或亚硫酸盐法——本质上都是“暴力拆解”。

强酸强碱在高温高压下无差别断裂所有化学键，包括本不该被破坏的β-O-4醚键。木质素发生深度降解和缩合反应，颜色从浅黄变为深黑，活性官能团大量丧失，几乎只能用作燃料。

换言之，传统方法的问题不在于“拆不开”，而在于拆得太狠。

02

选择性拆解：DES如何只断该断的键

既然问题出在“无差别破坏”，解法就指向“选择性断裂”——只切断木质素与半纤维素之间的共价键，保留木质素内部的活性结构。

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）提供了这条路径。

浙江理工大学许凤教授团队设计合成了以氯化胆碱/乙醛酸为组分的DES体系——氯化胆碱提供氢键供体网络，乙醛酸承担化学反应的核心角色。两种组分均为价格低廉的绿色化学品，避免了传统离子液体成本高昂的瓶颈。

这一DES体系的关键在于它同时扮演了三重角色：

• 作为溶剂溶解生物质组分

• 作为催化剂驱动共价键断裂反应

• 作为保护剂稳定断裂后的木质素活性结构

2025年发表于Science Advances的研究（Li HC. & Xu F., Sci. Adv. 2025, 11(27): eadv7299）证实了其作用机制：乙醛酸与木质素侧链上的羟基发生缩醛反应，形成关键中间体γ-半缩醛，这一中间体精准定位在木质素与半纤维素的共价键联结处，使共价键在温和条件下选择性断裂，而木质素内部的β-O-4醚键得以保留。

高效分离木质素，促进其高值化利用》

分离结果与传统方法形成了鲜明对比：木质素颜色呈浅黄色而非深黑色；β-O-4醚键保留量达到48/100 C9（即每100个苯丙烷单元中有48个保留了β-O-4键），远高于传统酸碱法木质素；整体属于非缩合型结构，反应活性位点得以暴露。色浅、富含β-O-4键、非缩合型——这三点构成了“高活性木质素”的核心特征，也是传统方法几十年来始终无法同时实现的目标。

许凤教授团队从2019年开始探索DES分离木质素，经过六年迭代，2025年在Science Advances上阐明了共价键选择性断裂的分子机制，同年又公开了一项木质素分级分离专利，通过梯度萃取实现不同分子量木质素的分级利用。

03

拆好了能做什么

高活性木质素的价值，最终要靠下游应用来验证。许凤团队围绕DES分离木质素已布局多条高值化路径。

最具代表性的是超级电容器电极方向：将木质素与MXene（一种二维过渡金属碳化物/氮化物材料）和氧化石墨烯复合，制备3D打印电极油墨，利用木质素的分散和粘结功能实现厚电极的垂直孔道构建（Adv. Funct. Mater., 2025）。此外，团队还以木质素芳香结构为基础开发紫外线屏蔽食品包装膜，探索木质素替代石化基酚醛树脂的路径。

高效分离木质素，促进其高值化利用》

高效分离木质素，促进其高值化利用》

从实验室到产业化，木质素高值化的核心始终没变：保留高活性结构，而非拆完就行。拿到高活性木质素只是第一步；如何让这些活性结构精准对接下游材料需求，才是整个赛道真正要回答的问题。

此前小编撰写了相关的一系列关于非粮生物质高值化利用相关的演讲或论文分享文章，感兴趣的同学可以查看再此不过多整述。