日本先进工业技术研究所 (AIST) 生物质技术研究中心（主任：Kinya Sakanishi）（所长：Hiroyuki Yoshikawa）龟川胜美（高级研究科学家）生物质精炼技术团队（组长：远藤隆）（所长：吉川博之）开发了一种生产超轻中空碳细颗粒（直径从几微米到几微米）的新方法从木质素中提取（纳米到几十微米），木质素是在造纸或生物乙醇和无机盐的制造过程中大量获得的副产品。

全球变暖和石油储量枯竭是全球关注的问题；因此，希望使用生物资源代替石油等化石资源。​值得注意的是，日本每年产生近 700 万吨木质素，这是一种生物资源（生物质），是造纸的副产品，并且通常作为废物焚烧。

在本研究开发的方法中，木质素与无机盐混合形成复合物；然后将该复合物在600-800°C下热解，洗涤，最后干燥，得到直径在3-30 nm范围内的亚微米尺寸的空心碳颗粒或纳米尺寸的空心碳颗粒。 ​200毫升容器中的样品非常轻，重量不到3克，如图所示。

橡胶或塑料可以通过这些颗粒代替炭黑进行增强，并且将成为具有改进性能的轻质材料。

此方法的详细信息将在 2009 年 2 月 18 日至 20 日在东京国际展示场举行的“nano tech 2009”上展示。

全球变暖和石油储量的枯竭正在成为全球关注的问题，因此，需要使用生物资源来代替石油等化石资源。 ​ 炭黑，即常规碳细颗粒，广泛用作轮胎补强材料和颜料，全球每年生产炭黑约1000万吨。 ​ 炭黑通常是通过石油等化石资源在约 1400°C 的高温下热解而生产的。

在日本，每年生产近 700 万吨木质素（一种生物质），作为造纸的副产品。  然而，由于木质素的应用有限，它被作为废物燃烧。  计划利用木材等大规模生产生物乙醇，因此预计在不久的将来会积累大量木质素。  因此，需要开发有助于有效利用木质素的新技术。

AIST 正在开发各种技术来利用生物资源作为化石资源的替代品，其中包括木质素的有效利用技术。​水溶性木质素的分子尺寸小于10纳米。​木质素是一种热塑性树脂，加热时会熔化形成碳块。​为了防止加热时木质素块的形成，我们研究了木质素与无机盐的复合物，即使在高温下也不会熔化。

这项研究得到了日本科学技术振兴机构“种子培育实验”的部分支持。

首先制备水溶性木质素和无机盐的水溶液，然后通过喷雾或超声雾化产生该溶液的小液滴。然后将这些液滴蒸发以获得木质素-无机盐复合物的细颗粒。​中空碳颗粒（直径从亚微米到几十微米）是通过在 600 - 800°C 下热解复合颗粒并随后洗涤和干燥而获得的。

图。 1 超轻质中空碳微粒

随着某些无机盐含量的增加，这些中空碳细颗粒的壁变得更薄，因此，可以生产堆积密度小于10g/L的超轻质细颗粒。在特定的制备条件下，得到具有良好弹性的中空碳细颗粒；这些颗粒在受到 4200 kg/cm 压力时会收缩²（大约4200个大气压）并在压力释放时恢复接近原始形状。​图1为超轻中空碳细颗粒在大气压下施加4200 kg/cm压力后的扫描电子显微镜图像².

已证实，通过控制无机盐的种类和添加量，可以获得直径为3-30nm的中空碳细颗粒；这些颗粒壁的厚度为 1 - 5 nm（图 2）。我们还可以获得类似于炭黑的碳细颗粒（直径：10-100 nm）。由于这些细颗粒的表面积等于或大于活性炭的表面积，因此它们有望具有与表面相关的功能，包括吸附功能。

图。 2 纳米尺寸的中空碳颗粒

在本研究中，我们使用市售木质素作为原材料。 ​造纸工业（或纸浆工业）中作为副产品产生的木质素通常是一种称为“黑液”的废液。 ​ 黑液中含有大量其他有机物和无机盐。 ​ 我们尝试通过两种方法从黑液中分离木质素：膜分离，使用超滤膜分离出相对分子质量较大的成分；沉淀分离，将二氧化碳气体吸收到黑液中，在近中性条件下沉淀出溶解度较低的成分。​我们可以从两种方法收集的废木质素中获得空心碳细颗粒。​因此，我们得出结论，黑液形式的木质素可以作为生产中空碳细颗粒的原料。

本研究开发的轻质中空碳细颗粒的尺寸在几纳米到几微米范围内。 ​由于这些中空碳颗粒具有较大的表面积，并且可以控制制造条件以获得具有良好弹性的碳颗粒，因此我们将开展在橡胶增强材料、轻质填料、柔性赋予材料、绝热体、导电体、抗静电材料、吸附剂和控释材料中的应用研究。