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。