一、研究背景

生物质材料的高效利用已成为追求绿色能源和环境友好型材料的研究热点。木质素是一种复杂的无定形多酚类生物聚合物，是大多数植物支持组织的关键结构材料，是生物质材料的重要组成部分。它是植物界仅次于纤维素的第二大生物质资源，也是丰富的可再生自然资源。它有一个由苯丙烷单体组成的疏水主链。木质素的高含碳量和广泛桥接的聚合物结构可用于生产高价值产品。此外，木质素还具有羰基、羧基、酚基和脂肪羟基等官能团。这些基团使木质素具有亲水性、抗氧化活性、抗真菌活性和清除自由基等特性。这些特性使木质素在食品、化妆品、电化学和医药等领域具有广阔的应用前景。然而，全球生产的木质素中只有2%用于商业用途，其余部分作为燃料燃烧。因此，增加木质素的附加值以扩大其应用范围是目前需要迅速关注的挑战。

木质素的增值方法有多种。其中，静电纺丝无疑是领先的方法。静电纺丝是一种用途广泛、可行的生产超细纤维的技术。由于其制造和设置简单，已成为工业界和研究者关注的焦点。静电纺丝可以有效地制备微米级和纳米级木质素纤维。由于其相对较快的加工速度和绿色溶剂的可用性，它们在木质素纤维的生产成本和环保方面具有无与伦比的优势。此外，还可以用静电纺丝法制备具有小直径和高比表面的木质素纤维。同时，由于木质素分子链的取向性更好，在此基础上制备的木质素基碳纤维具有更好的力学性能。由于木质素的高含碳量、低成本和可再生性，木质素纤维被推荐为有吸引力的替代石油的前驱体来制造碳纳米纤维（CNF），它在制备碳基功能材料方面显示出巨大的潜力。木质素纳米纤维也可以通过熔体纺丝、溶液纺丝或其他方法（如熔体吹丝、离心纺丝、鼓纺丝和反相挤压）制备。通过这些方法获得的木质素纳米纤维的直径、形态和机械性能不同。重点研究了以静电纺丝形成的木质素纤维为前驱体制备木质素基碳纳米纤维在超级电容器中的应用；因此，本文不介绍木质素纳米纤维制备的其他方法。

近年来，木质素纤维的高价值利用已成为可持续发展的重要方向。在电化学储能（ECES）的初步应用中，以木质素纤维为前体，通过炭化工艺可控地制备了木质素基碳纳米纤维（LCNFs），其非常适合作为超级电容器的组成结构。控制碳纳米纤维的物理化学和电化学性能是实现高能量密度、柔韧性和长期稳定性的关键。因此，通过调整各种纺丝参数和碳化条件来详细调整碳纳米纤维的电导率、孔隙率和表面积，以获得更好的电解质准入、离子约束和传输，已成为木质素基碳纳米纤维在储能领域高价值利用的关键。图1显示了过去十年中关于木质素碳纳米纤维制备超级电容器的出版物和引用的文章（来源：Web of Science）。

图1.近年来木质素碳纳米纤维制备超级电容器的文章发表及引用情况（来源：Web of Science， 2014年1月1日至2024年6月3日，关键词为“木质素碳纳米纤维”、“静电纺丝”和“超级电容器”）。

二、摘要

随着可再生能源技术的发展，对高效储能系统的需求日益增长。超级电容器以其优异的功率密度、快速的充放电能力和较长的循环寿命，作为高效的电能存储器件而受到广泛关注。纳米碳纤维具有优异的机械性能、导电性和重量轻等优点，被广泛应用于超级电容器的电极材料中。虽然环境因素越来越多地推动循环经济概念在材料科学中的应用，但木质素是一种未被充分利用但有前景的环保超级电容器电极材料。木质素基碳纳米纤维具有独特的化学稳定性、丰度和环境友好性，是制备高性能超级电容器电极材料的理想选择。静电纺丝技术是大批量生产均匀木质素基纳米纤维的技术，是大规模生产特定直径木质素基纳米纤维最简单的方法。综述了利用静电纺丝技术制备木质素基碳纳米纤维的最新研究进展，讨论了其在超级电容器中的应用前景，并分析了目前面临的挑战和未来的发展方向。这有望对后续的研究产生启发作用。

三、结论

静电纺丝在开发各种先进的木质素基纳米纤维材料中发挥着重要作用，在此基础上，通过预氧化和碳化制备的木质素纳米碳纤维具有广泛的应用前景。超级电容器的应用很有趣。

本文从木质素的描述开始，介绍了木质素的定义、结构和性质。在化石燃料资源日益枯竭和生物可再生材料快速发展的背景下，木质素作为储量仅次于纤维素的第二大木质纤维性天然聚合物，越来越受到化工、材料和结构行业的关注。简要介绍了静电纺丝原理的历史和背景。世界各地的研究人员通过揭示静电纺丝工艺的能力和发现克服该技术局限性的技术和方法，为静电纺丝的发展做出了贡献。最后，综述了静电纺丝法制备木质素基纳米纤维和炭化法制备木质素基碳纳米纤维在超级电容器中的应用。

总的来说，木质素是一种可再生资源，其天然含量仅次于纤维素，为木质素基碳纤维的制备提供了取之不尽的原料。木质素具有较强的物理化学性质，含有大量芳香烃苯环结构，使其制备成碳纤维能更好地保持原有的长丝结构，获得较大的抗拉强度。静电纺丝法制备的木质素基纳米碳纤维具有高表面积、高孔隙率、高导电性和优异的石墨含量。木质素基纳米碳纤维的制备和性能的发展大大增加了其在技术应用中的应用，特别是在储能方面。

图2.(a)木质素结构示意图[50]和(b) SEM。