中国科学技术大学刘武军特任教授（第一作者）和俞汉青院士（通讯作者）在Environmental Science & Technology发表了题为“Carbothermally Synthesizing Carbon Nanostructures from Biomass: A New Paradigm for Sustainable Carbon Materials Production”的综述论文，系统阐释了基于木质纤维素生物解聚原位碳热合成功能化碳纳米结构的机理与方法。

碳基纳米结构——包括石墨烯、碳纳米管、纳米纤维等多种碳纳米材料，以及碳载金属纳米颗粒（含氧化物和碳化物）等碳-金属杂化组装体——已引发广泛学术关注。这些材料在能源与可持续性交叉领域展现出的巨大潜力，正推动着大量研究和技术发展。目前通过化学气相沉积、电弧放电、合成或天然聚合物碳化等合成技术，已能制备无定形碳材料（如活性炭、炭黑）和晶体结构（如石墨烯、碳纳米管/纳米纤维），并实现功能与孔隙率的可调控性以满足特定应用需求。然而传统制备方法通常存在流程繁琐、使用有机溶剂与电化学处理、依赖极端温压条件的高精密设备等局限，且多数工艺严重依赖化石燃料衍生前驱体、金属催化剂及其他复杂试剂。这些限制因素对规模化生产、商业可行性及环境可持续性构成重大挑战。以木质纤维素生物质这一可再生资源为核心，结合环境友好型简化合成策略，为替代化石前驱体合成提供了新路径。

本文系统评述了基于木质纤维素生物质原位碳热合成先进碳纳米结构的最新进展，阐明其内在机理并聚焦关键科学问题。同时深入探讨了这类碳纳米结构在能源与可持续性交叉领域的应用前景，最终剖析了当前发展面临的核心挑战与局限。通过提出碳材料可持续制备的新范式，本综述旨在促进化学、能源与可持续性跨学科领域的知识融合与科研协作。本综述系统阐释了基于木质纤维素生物解聚原位碳热合成功能化碳纳米结构的机理与方法，重点聚焦碳热还原、碳热分解与碳热气相沉积三项核心工艺。通过整合本课题组实验数据与前沿研究团队成果，致力于系统揭示这些纳米结构原位形成的关键原理、作用机制及工艺路径，以期推动可持续材料科学这一快速发展领域的持续创新与深入研究。

尽管从生物质热解中原位碳热合成碳纳米结构已取得显著进展，但一系列固有局限依然存在，需要开展针对性持续研究。这些局限包括：（1）木质纤维素生物质的组分（纤维素、半纤维素和木质素）存在异质性，导致热解行为与产物收率不稳定；（2）碳热反应的固-固特性使传热传质难以均匀，造成产品质量波动。热解参数（如升温速率、气氛）的实时监测与精确控制虽具挑战性，却是保证结果可重复的关键；（3）生物质衍生碳虽具天然多孔性，但为特定应用（如催化、储能）调控孔径分布（微孔/介孔）需额外活化步骤。表面官能团（如─OH、─COOH）丰富，但针对目标应用的分布可能欠佳；（4）生物质热解理论呈碳中性，但须管控工艺排放（如CO、CO₂、挥发性有机物）以避免二次污染。生物油与合成气等副产物需高值化利用以实现资源闭环；（5）将碳热合成从克级实验扩至工业规模面临严峻挑战：低密度生物质的收集、运输与预处理（干燥、粉碎）能耗高、成本大；大型反应器内均匀传热传质困难加剧产品非均质性问题；为实现充分石墨化常需超过800℃的高温处理，导致能源成本攀升，可能削弱使用”廉价”前驱体的经济与环境效益。

原位碳热合成面临的核心挑战在于：开发能平衡生产效率与实际性能的生物质-纳米结构转化路径，并实现高价值碳纳米结构与生物燃料的联产。为解决这些多维问题：首要任务是突破生物质热解复杂机理的解析；顺应环境友好技术趋势，亟需采用可持续方法调控碳纳米结构孔隙与表面特性；随着社会迈向碳中和，精准量化材料合成的可持续性成为关键挑战。通过系统考量上述因素并破解底层复杂性，有望开辟兼具技术先进性、生态友好性与伦理责任感的碳纳米结构发展路径，助推可持续未来图景的实现。