木质素碳含量高、产量大,但有效利用率低。热化学法操作成本低、转化效率高,是实现木质素高值化利用的有效途径之一。本论文主要探索如何利用热化学法将木质素制备成高性能的炭材料,并研究其具体的高值化应用。研究工作主要包括两方面:（1）调控木质素炭化和活化过程,以制备高电化学性能的木质素活性炭（LAC）;以LAC为基础制备多元复合材料,协同增效以大幅提高电极材料的比电容和能量密度。（2）利用水热法制备木质素石墨烯量子点（GQDs）,解析其结构形态、化学成分及荧光特性,并探索其在Fe3+离子和抗坏血酸（AA）检测及细胞成像中的应用。研究结果如下:（1）在新型鼓泡流化床中进行快速热解代替传统的慢速热解方式、优化化学活化参数来调控LAC的结构形态及理化特性,确定了制备LAC电极材料的最优工艺条件。550°C快速热解得到的生物炭比表面积和总孔体积分别为123.9 m~2 g-1和0.09 cm~3 g-1,是慢速热解的73倍和30倍。以快速热解生物炭为前驱体,在KOH:LC比值为2、活化温度为800°C、活化时间为2 h时,制备的FP-2-800-2 LAC具有高比表面积(2149.5 m~2g-1)、高比电容(300 F g-1,电流密度为0.5 A g-1时,三电极体系)、出色的能量密度(19.15 W h kg-1,功率密度为250 W kg-1时,二电极体系)和持久稳定的循环寿命（1万次充放电后的电容保持率98.2%）。该研究表明,快速热解木质素炭是制备高性能活性炭的优秀前驱体,经化学活化后制备的LAC电极材料优于已报道的生物质基炭材料。（2）“一锅法”制备LAC复合材料、优化配比来调控复合材料的结构形态及理化特性,确定了制备LAC基复合电极材料的最优工艺条件。LAC、氧化石墨烯（GO）和聚苯胺（PANI）的质量配比为8:4:3时,复合材料具有高比表面积(2036.5 m~2 g–1)、更高的比电容(668 F g-1,电流密度为0.5 A g-1,三电极体系)、更出色的能量密度(51.58W h kg-1,功率密度为345.8 W kg-1时,二电极体系)和持久稳定的循环寿命（1万次充放电后的电容保持率为94%）。该研究表明,LAC/r GO/PANI三元复合材料能克服碳基双电层电容器的不足,大幅提高比电容、能量密度等电化学性能。（3）“两步法”制备木质素石墨烯量子点（GQDs）,表征结构形貌、光学特性和细胞毒性,探索其在体外细胞成像中的应用。GQDs呈准圆柱形,晶格间距0.21 nm,荧光量子产率高达28%;具有超强的荧光稳定性,静置12个月无变化,用30 W紫外灯持续照射12 h或在p H值为3-10、[Na Cl]高达1 mol L–1条件下,光致发光强度损失＜3%;GQDs浓度≤50 mg L–1、孵化长达48 h时,He La细胞的存活率≥95%。该研究表明,木质素GQDs荧光量子产率高、荧光特性好、适用于细胞成像等领域,是一种可替代传统半导体量子点的新型可再生材料。（4）基于GQDs和GQDs/Fe3+体系对Fe3+和AA的荧光“关闭”和“开启”响应,系统地研究了两个荧光传感系统的灵敏度、选择性、准确性和再现性。对Fe3+和AA的检测限分别低至1.49μmol L–1和1.62μmol L–1,能有效排除13种金属离子及8种类氨基酸化学品的强干扰,在检测环境水样及体外细胞时表现出良好的准确性和再现性。该研究表明,木质素GQDs可作为灵敏、准确、简便的荧光探针,在检测Fe3+和AA、细胞追踪等方面具有潜在的应用前景。综上,本论文从木质素出发,制备了高性能的活性炭及其复合材料用于超级电容器、石墨烯量子点用于Fe3+和AA荧光检测及细胞成像,系统地研究它们的构-效关系及调控机理,为木质素的高值化利用提供了一定的理论基础和技术支撑。