木基炭微纳功能骨架

卢芸; 李景鹏; 张燕; 仲国瑞; 刘波; 王慧庆

doi:10.7536/PC191223

化学进展 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (7) :906-916 DOI: 10.7536/PC191223

综述

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木基炭微纳功能骨架

卢芸 ¹^,^** ,
李景鹏 ³ ,
张燕 ² ,
仲国瑞 ² ,
刘波 ¹ ,
王慧庆 ²^,^**

作者信息 +

Wood-Derived Carbon Functional Materials

Yun Lu ¹^,^** ,
Jingpeng Li ³ ,
Yan Zhang ² ,
Guorui Zhong ² ,
Bo Liu ¹ ,
Huiqing Wang ²^,^**

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摘要

木基炭骨架能精准遗传木材经过长期进化所形成的层次分明、构造有序的天然多级结构,这种炭骨架由于特殊的层级结构特征,在生物模板、传感器、吸油材料和纳米材料制备基材等方面有巨大应用潜力。同时还可作为一类新型的骨架进行微纳功能修饰和结构二次调控,在海水淡化、污水清理、能源存储与转化等诸多领域具有极为广阔的应用空间。本文首先介绍了木材的基本结构,综述了木材热解过程中结构的变化,介绍了近年来木材炭化骨架作为新型功能材料的前沿应用,对应用过程中亟待解决的问题进行了剖析,并对木基炭骨架材料未来的研究方向进行了展望。本综述旨在重新对木材层级结构进行功能化开发,从而推动木材在功能材料领域的蓬勃发展。

Abstract

The wood-based carbon skeleton is derived from natural wood after pyrolysis. The wood-derived carbon inherits the hierarchical structural of the pore morphology and connectivity formed by the long-term evolution of wood. Due to its special structure, the carbon skeleton has huge application potential in the aspects of biological templates, sensors, oil absorbent, nanomaterial preparation, etc. The hierarchical wood-derived carbon skeleton could be further treated as a new type of scaffold, after the micro-/nano- scale modification and secondary regulation of the pores, it has extremely broad application in many innovative fields such as seawater desalination, environmental remediation, energy storage materials and electrochemical catalysis. This article first introduces the hierarchical structure of wood, describes several important stages of structural changes in the process of the wood pyrolysis, and then summarizes the application of wood-derived carbon skeleton as advanced materials in recent years. We also discuss the pros and cons of the functional carbon in the application, and prospect the future research works of wood-based carbon materials. The purposes of this review are to re-examine and functionally develop the wood hierarchical structure and to promote the development of wood as advanced materials.

Contents

1 Introduction

2 The pyrolysis process of wood

3 Porous wood carbon skeleton as bio-template

4 Functional utilization of micro- and nano- hierarchical channels in wood carbon skeleton

4.1 Highly compressible carbon sponge

4.2 The wood matrix derived microreactor

4.3 Water transpiration and desalination of marine

5 Wood-derived carbon skeleton in energy materials

6 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

木材 / 炭化 / 微纳结构 / 功能材料 / 层级结构

Key words

wood / carbonization / micro-/nano-structure / functional materials / hierarchical structure

引用本文

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卢芸, 李景鹏, 张燕, 仲国瑞, 刘波, 王慧庆. 木基炭微纳功能骨架[J]. 化学进展, 2020, 32(7): 906-916 DOI:10.7536/PC191223

Yun Lu, Jingpeng Li, Yan Zhang, Guorui Zhong, Bo Liu, Huiqing Wang. Wood-Derived Carbon Functional Materials[J]. Progress in Chemistry, 2020, 32(7): 906-916 DOI:10.7536/PC191223

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1 引言

木材是自然界产量最大的可再生生物质材料,具有产量丰富、可持续、可生物降解、生物相容和二氧化碳中性等优点,也是人类使用最广泛的生物质材料。由于亿万年的进化,木材形成了复杂、精细的结构和功能,可作为多层级孔道结构的一类前驱体。利用现代纳米技术对木质部的天然层级结构和晶态纤维骨架进行开发与功能修饰,可获得高性能的新材料,从而极大满足当代人类的可持续发展需求。

木材是一类天然的具有层级结构的多孔材料,如图1a所示,宏观尺度下的木材具有高度各向异性的结构,可以观察到射线和生长轮。木材含有轴向系统和径向系统的细胞。其中,轴向系统由大量垂直排列的微米级通道组成(20~140 μm,管胞、纤维细胞、导管),是传输水分、离子和养分的运输管道;径向系统几乎全为薄壁组织细胞。细胞间通过各向同性的非纤维素胞间层物质(木质素和果胶)黏结保持在一起。细胞壁组分由木质素、半纤维素、纤维素组成,可以概括为是纤维素基本纤丝在半纤维素和木质素基质中的复杂排列。始于纤维素分子紧密排列成结晶的基本纤丝,其直径为3~5 nm,长度为30~60 nm,是作为力学增强相分布在细胞壁的初生壁和次生壁S1、S2、S3层中,这些基本纤丝围绕木材细胞内腔逐层缠绕、沉积(如图1b所示),使得细胞壁层具有多层的结构,由于每个基本纤丝层约为5 nm厚,在2 μm厚的胞壁中就可能有400层。木材的木质化是从胞间层和S1层开始,逐渐穿过次生壁向内腔渗透,使得非晶态的木质素不仅分布在胞间层和初生壁中,还大量存在于次生壁中。木质部的微孔和介孔则主要来自细胞壁中木质素、半纤维素、抽提物与微纤丝的间隙。总而言之,木材的复杂多层级结构源于自下而上的生物组装,同时也具有极大的开发潜力。

木材的这种层级结构不仅可以在纳米尺度进行修饰后实现广泛的功能化,更引人瞩目的是,木材层级骨架的主要成分为纤维素、木质素和半纤维素,仅含C、H、O三种元素,可以通过一步高温热解处理直接将生物质骨架转化成无机炭材料^[1]。高温热解处理是木材功能化的一个重要途径,炭化处理可以保持木材特有的三维结构,并且进一步突破其自身的物理化学性能,赋予木基骨架疏水性、导电性、热稳定性等全新的功能。最为人熟知的相关产品是木炭,作为燃料使用有着数千年的悠久历史^[2];其次则是近几十年发展的高比表面积的多孔活性炭^[3]。在最新的研究中,木材热解处理后还成为一类具有微纳孔隙的特殊模板,可用于制备具有多层级结构的各向异性陶瓷(详见第三节)。最近,人们又将木材衍生炭骨架作为一类廉价和可再生的功能材料,在海水淡化、材料模板、传感器、微纳反应器等诸多领域拓展出全新的用途(详见第四节),并且作为能源材料在燃料电池、超级电容器、锂电池等领域具有巨大的应用潜力(详见第五节)。

当前,木基层级骨架炭化亟待研究的是木材纳米结构在高温热解过程中的变化和调控,以及对木基炭层级骨架在纳米尺度的功能化处理,从而使其作为功能材料极大拓展木材的应用领域。本文综述了木材热解过程中结构变化的几个重要阶段,并对木材炭化骨架在功能材料领域的最新应用加以总结,旨在重新对木材层级结构进行审视和功能化开发,从而推动木材在功能材料领域的蓬勃发展。

2 木材的热解过程

不同热解阶段的木材具有不同的结构,由于木材本身结构的各向异性^[4,5],木材炭化处理后形成的炭材料同样具有各向异性结构,同时还保留了微米级的天然构造,比如管胞、导管、射线、具缘纹孔等解剖学特征都能被完整保留^[6]。细胞壁的整体形貌也能被完全保留,完全变为炭材料的主体结构;但是细胞壁内的复杂层级结构在炭化后不复存在,在高于300 ℃的热解温度下会被均相和无结构的碳所取代^[7,8];(如图2所示) 已有一些研究表明,炭化前驱体的分子结构、分子取向和化学组成直接影响最终炭材料的取向度和炭化过程中多芳烃叠层的生长^[9],例如,黏胶纤维^[10]、Lyocell纤维^[11]、苎麻^[12]的纤维素分子取向与炭化后的碳层取向均有一定的相关性。X射线衍射^[13]和拉曼显微镜^[14]的研究同样证明,热解木材中的碳层会有少量与细胞轴的取向相同。然而,取向的纤维素分子链转化为取向的芳香碳环的分子机制仍未有详细的研究。为此,Tang和Bacon^[15]首先提出了“微纤丝主导”(Microfibril dominance)的概念^[16,17]。总体来说,木材热解过程中炭材料的结构变化是非常重要的一个科学问题,对未来木基炭材料的工业应用有重要的意义。目前可以明确木材热解过程中几个结构变化的阶段:(1)200 ℃温度以下只会发生水分子的解吸分离,木材不会发生进一步的化学或结构变化;(2)在200~350 ℃的温度,木材的组分开始逐步分解,半纤维素首先在200~260 ℃分解,随后纤维素在240~350 ℃热解,糖环单元内的C—O和C—C键发生解聚,生成水、CO和CO₂,这个温度段处理的木材被称为烘焙木(Torrefied wood),可以被认为是原木和木炭之间的中间体,由于其中的生物高分子发生了化学结构的变化,从而具有不同的性质^[18,19];(3)在350 ℃以上,木质素开始分解,其中300~400 ℃的温度段,木材在分子尺度上是完全无序的,如图2所示,无论是透射电子显微镜^[8]、小角XRD以及广角X射线散射测试结果均如此^[20],这表明整个块体是无定形的,从原子尺度到几百纳米的范围内的结构都是不规则的,温度到了400 ℃以上开始形成石墨层,碳与挥发物的质量比随着热解温度的升高而增加,在600 ℃时会产生~90%的碳,其余的主要为氮和氧,以及少量的其他元素;(4)当高于800 ℃时,无序碳略微呈现出各向异性,逐渐发展出短程有序,各向异性碳在高于1000 ℃会进一步排序^[21,22];(5)当温度超过2000 ℃时,结构变为石墨相,同时再次变得高度有序,石墨微晶的取向优选纤维素微纤丝前驱体的取向^[7]。

3 木材炭骨架牺牲模板

由于炭化后的木基骨架仍然完整保留了木材从微、纳米尺度到宏观尺度上的多级结构,同时将木材的多种高分子组分转化成了炭材料,因此成为了理想的生物模板。如图3a所示,通过进一步将无机陶瓷的前驱体(熔融态、溶液、胶体、或悬浮液)进行液相、气相渗透沉积在模板材料上。渗透期间通常施加真空从而除去空气并改善前驱体的填充效果。随后将木材炭骨架进行热解去除,木材炭化后的层级结构作为牺牲模板,构建的新材料可复刻木材组织层面的微观结构,使得制备的碳化硅材料(图3b)和电极材料(详见第五节)复制了木质的层级多孔结构。已有一些综述和书籍介绍这部分内容^[25,26,27],由于不是木基炭骨架的直接功能开发,在此仅做简要描述。

4 木材炭骨架的微、纳层级孔道功能利用

4.1 弹性炭骨架

木材炭骨架本身可作为一类功能材料,当对细胞壁微纳结构和细胞间排列方式进行调节组装后,则可以在原本的结构基础上进行功能开发和利用。

Hu等^[28]将轻木中的木质素和半纤维素经化学处理去除后在1000 ℃下炭化,如图4所示,将木材转化为可压缩的木炭海绵,整个过程将材料原本的网格状刚性结构转化为弹簧状的可压缩层状结构。通过化学处理去除木质素和半纤维素破坏了天然木材的细胞壁,产生了具有许多堆叠拱形层的层状结构。即使在高温炭化之后,层状结构也可以很好地保存。这种层状结构在50%应变下具有高达80%的高压缩性,并且具有可承受10 000次压缩循环的高抗疲劳性。进一步的实验和建模研究表明,木炭海绵可以适应弯曲层弯曲和展平的大幅变形,并且在压缩时具有相应的电导率变化,可用作高灵敏度的应变传感器。

在本课题组最新的工作中,将化学脱除基质后的木材在300 ℃下进行炭化处理,也得到了可压缩的木炭海绵,其具有良好的弹性和较好的吸油性能。其与水的接触角高达145.3°。通过加压-卸压循环中的应力-应变分析,木基骨架在50次40%恒定应变循环后能够保持98%以上的高度回弹率(图5)。木基骨架对多种有机溶剂均能够有较好的吸附作用,对氯仿的吸附可达16.9 g/g;通过最简单的机械挤压可以快速回收所吸附的有机溶剂,并可重复循环利用。

由于木材天然结构的各向异性,木材炭化过程对径向系统的组织结构调节及细胞壁的结构调控机理,以及炭化过程对木材弹性材料点阵空间的影响作用还有待探索。

4.2 木材孔道作为反应器

木材炭化的3D骨架(C-wood)可制备分散良好的金属氧化物纳米颗粒。C-wood的适度电子导电性有助于局部焦耳加热,而良好的导热性可确保整个材料的快速3D加热。如图6所示,C-wood的温度可在4 s内从室温升高到2200 K,稳定温度为1400 K,且在2 s内可冷却回室温。此外,预加载的前驱体盐由于高温在C-wood表面上迅速分解并在快速猝灭过程中形成超细金属氧化物(≈ 11 nm)纳米颗粒。该过程在空气中进行,有助于防止金属氧化物被碳还原。因此,木基炭骨架辅助加热法是一种快速的合成金属氧化物纳米颗粒的新方法^[29]。

木材的微纳多级孔道结构,还可作为流体传输通道和微纳反应器进行开发。Chang等^[30]在木材孔内壁负载催化剂活性组分,将木材孔道同时作为流体传输与微纳反应通道,通过水热法同步炭化木材且负载了纳米二氧化钛,增强了木材细胞壁对污染物的吸附截留性能,同时提高了水热炭化后木材的机械强度,采用吸附浸渍与原位生长技术均匀分散负载四氧化三锰催化剂活性组分,最终构筑了具有木材仿生结构的微纳反应器,在处理有机染料废水中有效利用了木材的微纳结构特点,具有高通量与高截留率特点,同时由于催化作用有效缓解了孔内的污染问题,从而能实现可持续使用。如图7所示,其在有机污染废水的处理过程中,通量可高达约3000 L·m^-2·h^-1,远高于普通过滤膜,而且有机污染物小分子的脱除率可达到90%以上,实现了通量与截留率的平衡。

4.3 水分蒸腾及盐水淡化

大多数现有的太阳能蒸发器需要昂贵的前驱体或复杂的制造工艺,能同时满足优化光吸收、热散失、水蒸发且低成本的装置值得关注。木材作为天然的运输水的专家,本身的多级孔道结构使其将根系吸收的水分向上输送,随后通过叶子的蒸腾作用蒸发到环境中^[31]。通过树木蒸腾现象的仿生,可将木材结构中整齐排列的开孔微通道用于太阳能蒸气的高效生成^[32]。能将水的输运约束在亲水性且相互连接的多孔路径中,并且显著抑制热耗散,提高转换效率,从而保证持续的水供应蒸气产生。

Hu等^[33]、Singamaneni等^[34]以及Li等^[35]最近分别报道了碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、以及聚吡咯(PPy)等黑色物质覆盖的木材作为太阳能蒸气发生器,可将热量集中在表层以最大限度吸收太阳能,从而实现了有效的光吸收和光热转换;同时借助木材优异的绝热性能和垂直整齐排列的微通道,水可以沿着这些微通道向上畅通传输到蒸发器表面(如图8所示)。

然而仅是对木材进行了表层覆盖,仍有一些问题需要解决。木材本体在水中长期浸泡后,会逐渐被细菌分解^[36],需要进一步提高基体在高湿度环境中的稳定性,以便长期利用。因此需对木材进行改性处理,以确保其长期稳定性而不发生性能衰减^[37]。此外,还需进一步解决木材衍生的太阳能蒸发器内盐分逐渐累积堵塞水路和照明区域的问题。

Hu等^[38]通过在木材基板天然结构的基础上,进一步设计了人工通道阵列,随后对其表面进行炭化,即可得到理想的自再生式太阳能蒸发器。如图9所示,该蒸发器可在连续的太阳能淡化过程中实现实时防污,且即使在高浓盐溶液(20 wt%NaCl溶液)中连续蒸发100 h也能表现出长期稳定性,太阳能蒸发器的最高效率≈75%。由于不同的水力传导性,在太阳蒸发作用下,在毫米级的钻孔通道(低盐浓度)和微米级的天然木材通道(高盐浓度)之间形成了盐浓度梯度。浓度梯度通道间自发的盐交换使木材孔道中的盐被稀释。因此,高水力传导率的钻孔通道可以作为排盐通道与溶液进行快速盐交换,使蒸发器能够实现实时自我再生。最近的研究还表明,直接选用具有大孔径管胞的木材,同时直接将木材的横切面进行炭化,即可得到理想的太阳能蒸发器,该蒸发器具有超过89%的水蒸发效率和96%的光吸收效率,且木材炭化表面提供了良好的隔热性^[39]。相信随着人们对木材构造的进一步全新筛分,并且结合木材加工的处理手段,可以开发出更多更好的节能输水材料。

5 木材炭骨架在能源存储领域的应用

如今,能源需求的迅速增长使得人类在寻找更多清洁的可再生能源。环境友好型的可持续高效储能和能源转化材料是当今能源存储领域发展的重点与难点。木材由于其丰富的储量、轻质量和生物可降解性,在能源材料相关研究中展示出巨大的潜力。在本节中,我们将重点介绍木材炭骨架各向异性通道在储能及电催化领域的应用。

与自下而上法制备的纳米纤维素作为基本单元来构建目标材料不同的是,木材制备三维电极是自上而下的技术路线,这使得天然木材的固有结构被很好地保留并发挥独特的作用。在通过直接工程改造天然木材结构来开发各种类型的储能器件方面,Hu和Yu等作出了一系列贡献^{[41,42,43,44]}。木基储能装置的技术路线可分为三类(如图10所示):(1)直接使用木质及其含碳衍生物作为隔膜和电极活性材料;(2)将木质膜炭化以作为集电体,使得各种电极活性材料能够渗透或涂覆到孔(通道)中;(3)以木材为自牺牲模板,制作具有独特的多通道结构的三维电极。这些技术路线可制备出多功能的木基电极和装置,有助于扩大木材在能源存储领域的应用范围。

迄今为止,锂离子电池由于高能量密度、循环寿命长、充电功率范围较宽而成为便携式设备的主要电源。为了进一步提高锂离子电池的能量密度,人们研究开发新的电极材料,同时优化电极的制作工艺,如添加导电剂和黏合剂等。传统的电极制备方法是将混合物浆化到金属收集器上,增加电极厚度以降低电池中电流收集器的比例。但是,随着电极厚度的增加,电极极易发生变形和断裂。此外,当电极变厚时,离子的传输将变得困难。为了保障离子和电子的快速传输,通过降低电极的弯曲度可以有效缩短离子和电子的扩散距离。木材结构中的垂直排列通道具有很高的机械强度,在高温炭化后同时还被赋予了很强的导电性。这些结构特征使得木材炭骨架成为理想的储能材料,特别是用于设计加厚电极(图11)。

多个研究工作已经证明,3D木基炭骨架可以与锂离子磷酸盐(LFP)、硫、锂金属和钠金属等多种电极材料结合,从而构建具有多种功能的超厚(高达毫米)和高负载量的(高达60 mg·cm^-2)电极。如图12所示,Tao与Lu等将轻木炭化后的多孔炭作为基体,先在上面引入氧化镁纳米颗粒进行界面修饰,形成新的界面有利于引发Li金属的成核沉积。使得木材的多尺度通道成为Li金属的理想基体。同时,木材的定向孔道结构能将Li进行很好地约束,从而使得充放电过程中的Li剥离/电镀主要发生在通道内,能有效抑制负极枝晶的产生。改性的Li负极能够在15 mA·cm^-2的超高电流密度下工作,库仑效率可以达到~96%,并显示出更低的成核过电位以及极佳的循环稳定性。与商用LiCoO₂正极组装成Li金属电池后,比未经木材结构约束的Li箔具有更好的倍率性能和更高的容量,将有助于锂金属电池的商品化^[45]。

木材炭骨架的超厚电极还可以通过浆料涂布法制备。例如,通过将LFP浆料渗透到炭框架的通道中,采用浆料涂布法(图13b、c)制成800 μm的超厚三维LFP/炭化木骨架(LFP-CF)阴极材料(图13a)。此外,木材也可以作为储能装置中的电极或隔膜组件。Chen等^[44]研制了一种全木材组分的不对称超级电容器,其主要组分(阴极、阳极和隔膜)均来自同一块木材。经CO₂活化的木炭可直接用作阳极,沉积有MnO₂的木炭可作为阴极,而薄的天然木膜可作为隔膜(如图13d,e所示)。由于它们的低弯曲度、大厚度、高质量负载和导电性,当这些元件被组装成超级电容器时,基于器件水平可以实现3.6 F·cm^-2的高电容(如图13f所示)。由于三维电极结构独特,具有高导电性,在连续炭骨架中可以进行电子运输,在垂直通道中可以进行低弯曲度的离子运输,电子动力学和离子动力学都得到了显著改善。木材的层级多孔结构可充分暴露活性电极材料,能够有效地收集电流,用于制备高能量/功率密度的超级电容器,Liu等^[46]以炭化木(CW)为阳极、以表面沉积有Co(OH)₂纳米片的CW为阴极以及纤维素纸作为隔膜,用于制备一种低成本、绿色、可持续全固态不对称超级电容器。其中木材衍生的多孔炭骨架结构不仅可以作为高表面积的载体来提高Co(OH)₂纳米片的负载量,还可以保证快速的电子传导和离子扩散,从而提高了速率性能。此外,全固态非对称超级电容器具有优异的功率密度和能量密度,功率密度可达1.126 W·cm^-2(17.75 W·kg^-1),能量密度可达0.69 mWh·cm^-2(10.87 Wh·kg^-1),在超过10 000次的充放电循环后仍能保持85%的电容性能,这些性能远远优于金属氧化物电极。

锂氧电池具有较锂离子电池高数倍的比能量且环境友好(其正极活性物质为氧气)等优势,使得锂氧电池具有巨大的商业化潜力。其中,锂氧电池的阴极构造对其性能起决定性作用,它直接影响Li⁺的电子传导、传输动力学和放电产物的生长等。放电过程中,锂离子易在阴极与O₂发生反应生成不溶性Li₂O₂固体,会堵塞O₂与Li⁺的传输通道从而降低阴极的活性面积。理想的阴极结构需要包含开孔型的孔道和丰富的微孔结构,从而有利于氧气的传输和放电过程中不溶性产物的累积。受天然木材多微孔层级结构的启发,Hu等^[47]以炭化且活性化的木材为基板,在其多孔的微孔通道中负载钌,设计了一种用于高性能锂氧电池的超厚透气的木质阴极材料(如图14所示)。低曲折度和对齐的微型孔道有利于氧气传输,其中丰富多级孔使得阴极材料能够被电解质完全浸润,在孔道内壁形成的电解质薄层确保了Li⁺的快速传输。以炭化活性木头/钌(厚度约700 μm)为阴极的锂氧电池表现出0.1 mA·cm^-2的电流密度和8.58 mAh·cm^-2的高面积比电容,并且能达到优异的充放电循环效果;增加阴极厚度至3.4 mm,其面积比电容将提高至56.0 mAh·cm^-2。

6 结论及展望

尽管木基储能装置显示出了较高的电化学性能,特别是厚电极可实现超高质量负载,但目前研究仍然存在许多挑战,需要进一步探索:

1)电极的可伸缩性受到木材尺寸的限制;2)在一些器件中不需要大尺寸的孔;3)与商用铜箔或铝箔集流器相比,炭化木材的机械稳定性仍然较低;4)电极材料的稳定性如何避免树种来源和木材结构的影响,或应根据不同树种的木材和取样部位建立标准进行等级筛分。

目前需要进一步的材料工程和结构工程加以优化,例如开发避免缺陷的超薄木材切削技术、孔径工程和复合材料设计来解决这些问题。

木材衍生炭材料以其独特的天然结构在能源存储与转化相关研究中取得了巨大进展,并显示出开发可生物降解、可持续和高能量密度的储能装置的潜力。然而,为了获得较高的电化学性能,对木材及其衍生材料的基础研究还有待进一步深入。此外,以低成本改进工业生产技术是实现木质生物材料用于新兴储能装置的大规模和商业应用的关键因素^[48]。

我们回顾了木基储能材料方面的最新发展,作为一颗冉冉升起的新星,木材的三维层级结构显示出独特的优势,其特点是厚度大,能够承受超出传统木结构极限的高质量载荷。此外,这种结构显示出接近1的低弯曲度和丰富的离子、电子传输途径,为超厚和高负载电极和设备设计开辟了新的方向。综上所述,近年来,木基储能技术取得了重大进展,但仍处于发展阶段。

木材经高温炭化处理后可形成具有分级多孔(微孔/介孔/大孔)结构的炭材料,是多孔炭骨架的高品质前驱体。同时,木材的多层级结构使其可被视为一类理想的骨架材料,经纳米技术的复合、掺杂、改性等处理后,可为其增添新的功能。不同于普通纳米材料的是,木材很容易从宏观上实现器件组装和批量制备。本文综述的木材衍生炭功能骨架不仅可作为生物模板材料,还在海水淡化、污水清理、能源材料和传感器等领域展现出极大的应用潜力。

当前,木材衍生炭功能材料的研究尚处于起步阶段,主要工作还局限于从宏观结构和性能探索木基炭材料的结构特性、导电行为、表面能变化、对材料进行工程化设计等,而对于分子链的热裂解、石墨化过程中的脱氢、有序排列、缺陷分布及缺陷对催化转化、电子存储等过程中的作用和实现机理的研究尚未深入研究。这类天然的各向异性多层级结构材料的构造解析、机械性能、孔隙分布、构效机制等还需要深入研究。此外,木材衍生碳功能材料的开发研究还可借鉴纳米纤维素的一些研究成果,并针对木材特有的原生结构进行修正和开发,继而不断创新,研发出具有特殊功能的新材料。

同时,木材加工行业具有成熟完备的工业体系,若能基于对木材结构的全新认识,赋予木材全新功能和丰富内涵,可借助成熟的木材加工产业,开发出木材衍生的功能材料的转化潜力,从而推动木材在创新材料领域的蓬勃发展。

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