植物中的木质素与纤维素和半纤维素之间形成了复杂的三维异质缠绕结构，导致其分离、转化和高值利用困难。木质素是自然界中含量最高的芳香族高分子，但结构复杂、聚集严重、反应活性低，使其高值化利用成为世界级难题。
团队聚焦木质纤维素生物质高值化利用，建立了木质素分子微结构、聚集微结构和界面微结构的多尺度微结构理论。基于木质素独特的三维结构、丰富的活性官能团和天然的防紫外、抗老化等物理化学特性，创新氧化缩聚、接枝磺化、醚化缩合、原位构建界面动态键和气相剥离活化等关键技术，研制了木质素基工业表面活性剂、木质素基高分子材料、木质素基碳材料、木质素基纳米功能材料、木质纤维素衍生化学品和高品质燃料等系列产品，实现了木质素和木质纤维素生物质在精细化工、日用化学品、新材料和新能源等领域的应用。
研究方向一：木质素基础理论
率先发现木质素长效防紫外抗氧化功能，建立了木质素长效紫外吸收分子微结构机制；发现分子间作用力是决定木质素聚集的关键，首创木质素作用力研究方法，提出聚集微结构理论；发现提高界面作用力是改善木质素与高分子复合材料力学性能的关键，首创原位界面改性方法，建立界面微结构理论；采用先进分析检测及分子模拟技术，深入剖析木质素分子微结构、聚集微结构及界面微结构对其物理化学性质的影响规律，建立木质素的构效关系，形成了木质素多尺度微结构理论，为木质素高值化利用提供精准的理论支撑和设计依据。
研究方向二：木质素基工业表面活性剂
基于木质素分子微结构调控理论，开发氧化缩聚技术，创制强亲水性、高分子量混凝土减水剂，攻克大体积混凝土水化热裂缝难题，开启木质素高效减水剂应用历史。针对不同分散体系，自主研发接枝磺化、醚化缩合等技术，制备木质素高效分散剂。研发的水煤浆分散剂制浆粘度低、浆体稳定，性能优于日本花王同类产品。研发的染料分散剂达到国际一等品标准，性能优于进口产品Reax 85A，打破纳米染料分散剂依赖进口的现状。研发的农药分散剂可减小农药粒径，悬浮率超95%，性能优于挪威鲍利葛产品。
研究方向三：木质素基高分子材料
基于木质素富含羟基、苯环的分子结构特征及其抗紫外、抗老化、光热等功能特性，采用超滤分级、化学改性、原位构建界面动态键和纳米微相分离等策略，对木质素进行分子微结构、界面微结构及聚集微结构等的调控，解决了其在高分子基体中相容性差、反应活性低及易团聚的关键难题。创制了木质素基可降解塑料、聚氨酯材料、补强橡胶、自修复弹性体、光热电多功能水凝胶、气凝胶、电池粘结剂等一系列高分子功能材料，具有优异的力学性能、抗紫外老化、抗热氧老化等特性。
研究方向四：木质素基碳材料
基于木质素微结构调控理论，通过化学改性、溶剂诱导、金属配位、客体分子复合等策略，调控木质素的分子、聚集和复合微结构，开发共混纺丝碳化、气相剥离活化、多级结构调控、静电组装碳化和超分子原位碳化等技术，创制了碳纤维、多孔炭、硬炭、硅碳、碳催化剂等碳材料，在高分子补强、超级电容器、锂/钠/钾离子电池、电催化析氢/析氧、生物质催化转化等领域展现优异性能。制备的多孔炭/硬炭/硅碳材料储能性能与商业产品相当，制备的碳催化剂催化活性和稳定性超过商业Pt/C和Pd/C催化剂。
研究方向五：木质素基纳米功能材料
基于木质素微结构理论，提出了木质素协同增效抗紫外理论，指导木质素在紫外防晒和抗光解农药中的功能应用，实现了广谱长效、稳定和安全无渗透紫外防护，紫外线阻隔率达到98%以上；在国际上首次开发出浅色纳米木质素防晒材料，防晒指数提高2~6倍；研制出国内首个木质素基抗光解纳米农药，光照活性保留率提高5~8倍，药效提高20%。建立了木质素聚集微结构与分子间作用力的关联机制，首创木质素精准有序聚集调控方法，在国际上首次开发出具有结构色的木质素纳米材料，拓宽了木质素应用领域。
基于木质素微结构调控理论，结合高效绿色催化、反应路径设计及界面电子结构优化等关键技术，通过创制尖晶石型催化剂、碳基催化剂及多级孔分子筛等系列高效催化体系，实现了木质素中C-C/C-O键的选择性断裂与高效解聚机理的深度解析。开发了以工业木质素为原料制备酚类精细化学品、生物质航空燃料及新型发电系列方法，尖晶石通过活性位点优化使β-O-4键断裂效率提升至85%以上，氮掺杂碳材料通过表面官能团调控提高酚类化合物收率，实现了其在生物基化学品、生物质燃料及燃料电池等领域的应用。
