三素分离，如何拿到高附加值的木质素？|木质素|活性|溶剂|纤维素|组分|醚键

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（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。

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。

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。

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。