周赟磊等人：“木”見未來，從天然架構(gòu)到綠色納米平臺

木材作為地球上最豐富的可再生生物質(zhì)之一，其固有的層級化、各向異性與多孔結(jié)構(gòu)，為跨尺度的納米工程調(diào)控提供了天然且可編程的結(jié)構(gòu)支架。近年來，木材納米技術(shù)通過碳化、脫木質(zhì)素及納米材料/納米結(jié)構(gòu)集成等“木材專屬”功能化策略，成功實現(xiàn)了從天然材料向“綠色納米工程平臺”的關(guān)鍵跨越。該平臺在保持木材原生纖維與多孔框架的基礎(chǔ)上，引入導(dǎo)電、催化、抗菌、光熱等多功能耦合特性，形成結(jié)構(gòu)可設(shè)計、物性可調(diào)、可按需模塊化組裝與定制的高性能材料體系。在應(yīng)用方面，功能化木材已在能源儲存與轉(zhuǎn)化(如超級電容、金屬-空氣電池、離子電池電極等)以及水凈化(吸附、過濾、光熱脫鹽、光催化/抗菌處理等)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力。面對可持續(xù)技術(shù)的迫切需求與快速迭代趨勢，功能化木材有望發(fā)展成為支撐未來綠色技術(shù)的重要材料平臺。

本文亮點

1.結(jié)構(gòu)即平臺：木材固有的分層、各向異性和多孔結(jié)構(gòu)提供了一種結(jié)構(gòu)上可編程的支架，支持后續(xù)的納米工程策略，為各種可持續(xù)應(yīng)用實現(xiàn)多尺度特性調(diào)制。

2.策略成體系：木材特有的分層納米工程策略——包括碳化、去木質(zhì)素、激光誘導(dǎo)石墨烯形成和納米材料集成——被系統(tǒng)地分類，以實現(xiàn)跨多個長度尺度的可調(diào)結(jié)構(gòu)和特性。

3.應(yīng)用向可持續(xù)：具有納米結(jié)構(gòu)的功能化木材能夠在能量存儲(例如，鋅空氣電池，超級電容器)，水處理(例如，吸附，過濾)和可再生能源發(fā)電(例如，太陽能熱，熱電和水力發(fā)電系統(tǒng))中實現(xiàn)可持續(xù)解決方案。

內(nèi)容簡介

長期以來，木材主要作為結(jié)構(gòu)材料被使用，其取向孔道網(wǎng)絡(luò)與表面化學(xué)的“可編程性”尚未被充分用于功能化設(shè)計。蘇大黃海波/文震、西電周赟磊等人以“功能化木材”為主線，將天然木材視為生物基納米工程底座：在保留層級多孔框架的同時，通過工程化處理賦予可調(diào)的導(dǎo)電、傳質(zhì)與界面反應(yīng)能力。文章系統(tǒng)梳理并分類總結(jié)木材特有的納米工程策略，包括熱碳化、激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)、脫木質(zhì)素、機(jī)械加工與納米材料集成，并進(jìn)一步討論這些策略如何協(xié)同調(diào)控孔道結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)以及電/熱/離子傳輸?shù)汝P(guān)鍵屬性。

在應(yīng)用進(jìn)展方面，文章重點總結(jié)了功能化木材在可持續(xù)技術(shù)中的最新研究：

1.能源儲存：如金屬離子電池、鋅空氣體系、超級電容器等；

2.水處理：如吸附、光熱過濾、催化降解等；

3.能量轉(zhuǎn)換：如太陽能蒸發(fā)、離子熱電、水伏發(fā)電與摩擦電納發(fā)電機(jī)等。

文章在最后討論了功能化木材走向?qū)嶋H部署仍需突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：制備的一致性與可規(guī)模化、多功能集成時的界面耦合與可靠性、以及濕熱/循環(huán)載荷等真實環(huán)境下的長期穩(wěn)定性與可持續(xù)評估。

圖文導(dǎo)讀

Functionalized Wood：從“處理策略”到“應(yīng)用版圖”的樂高式組合

天然木材兼具取向孔道、可反應(yīng)表面與可加工形態(tài)，可作為生物基納米工程底座。本文圍繞‘處理策略—結(jié)構(gòu)調(diào)控—應(yīng)用場景’給出一套模塊化路線：通過機(jī)械加工、脫木質(zhì)素、熱碳化、激光誘導(dǎo)石墨烯與納米材料集成，把木材從結(jié)構(gòu)材料升級為面向儲能、水處理/環(huán)境修復(fù)與能量獲取的多功能平臺。

I為什么“功能化木材”是綠色納米工程平臺

如圖1所示，用‘木質(zhì)樂高平臺’概括核心：木材的層級孔道與表面化學(xué)提供天然支架；機(jī)械加工、脫木質(zhì)素、熱碳化、激光誘導(dǎo)石墨烯以及納米材料負(fù)載像‘積木模塊’可按需組合，實現(xiàn)電極、傳質(zhì)界面與能量轉(zhuǎn)換單元的快速構(gòu)建。

圖1. 采用關(guān)鍵加工策略制備的功能化天然木材及其在儲能、能量轉(zhuǎn)換和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的代表性應(yīng)用。

II從結(jié)構(gòu)到功能：木材的“層級孔道×化學(xué)基團(tuán)”如何支撐可編程設(shè)計

如圖2所示，木材由纖維素/半纖維素/木質(zhì)素構(gòu)成，形成細(xì)胞壁—管腔—導(dǎo)管等多尺度結(jié)構(gòu)。取向孔道帶來高通量傳質(zhì)與低阻補(bǔ)液，豐富官能團(tuán)提供可反應(yīng)位點，而各向異性骨架保證形態(tài)穩(wěn)定并支持結(jié)構(gòu)取向調(diào)控。

圖2. 木材從樹木解剖學(xué)到分子結(jié)構(gòu)的多尺度結(jié)構(gòu)分析。

III五大處理策略：把木材變成可編程“綠色納米工程平臺”

(1) 先做“形態(tài)”，再做“功能”：木材加工與切割把材料帶入可制造區(qū)

加工與切割決定木材孔道結(jié)構(gòu)能否在器件尺度上被“搬運(yùn)”與復(fù)現(xiàn)。粉碎、旋切、切片/塊材加工及壓縮致密化可將木材轉(zhuǎn)化為粉末、單板、薄片或致密體，對應(yīng)不同的界面面積、傳質(zhì)路徑與力學(xué)支撐，為吸附/過濾、光催化、光熱與儲能電極等應(yīng)用提供可制造的形態(tài)基礎(chǔ)。與此同時，機(jī)械加工也是關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)調(diào)控手段：通過放大比表面積、暴露活性位點并保留或重構(gòu)孔道取向，為后續(xù)脫木質(zhì)素、碳化與復(fù)合等工程化處理奠定更可控的結(jié)構(gòu)前提。

圖3. 將木材機(jī)械加工成四種形態(tài)——木粉、單板、木片和壓縮木。

不同加工形態(tài)(粉末/薄片/片材/壓縮材)對應(yīng)不同傳質(zhì)路徑與界面面積，從而服務(wù)于光催化、吸附/過濾、光熱與儲能電極等多場景，如圖4所示。

圖4. 木材機(jī)械加工及應(yīng)用的代表性實例。

(2) 熱碳化：用木材孔道做“模板”，一鍵得到連續(xù)導(dǎo)電的多孔碳框架

熱碳化可在惰性/限氧條件下將木材由絕緣骨架轉(zhuǎn)為連續(xù)導(dǎo)電的多孔碳框架，并保留原生孔道拓?fù)洹Ｍㄟ^溫度、氣氛與升溫程序可調(diào)控碳化程度、缺陷/有序度與分級孔結(jié)構(gòu)，從而為電極、載體與傳質(zhì)界面奠定導(dǎo)電與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

結(jié)合XRD、Raman、FTIR與SEM等表征，可關(guān)聯(lián)官能團(tuán)脫除、石墨化/缺陷演化與孔結(jié)構(gòu)變化，用于指導(dǎo)熱碳化參數(shù)優(yōu)化與性能設(shè)計。

圖5. 木材的熱解。

(3) 激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)：在木材上“寫電路/寫電極”，把功能圖案化

激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)更適合局域圖案化：激光瞬態(tài)高溫驅(qū)動表面碳從sp3向sp2重排，形成多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可直接在木材上‘寫’電極與電路。

LIG的電阻與石墨化程度受功率、掃描速度等參數(shù)控制，便于快速制備柔性電極和應(yīng)變/觸控/濕度等傳感器，并可與木材孔道結(jié)構(gòu)協(xié)同實現(xiàn)器件集成。

圖6. 木材上激光誘導(dǎo)石墨烯。

(4) 脫木質(zhì)素：打開細(xì)胞壁納米孔，讓木材“更可浸漬、更可透明、更可界面工程”

木質(zhì)素賦予木材疏水性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但會阻礙離子/分子滲透并降低后續(xù)復(fù)合的均勻性。脫木質(zhì)素可視為細(xì)胞壁“微結(jié)構(gòu)工程”：降低木質(zhì)素含量、暴露纖維素微纖絲并引入納米孔，從而提升孔隙率、比表面積與親水性，利于功能溶液浸潤與原位生長；同時削弱光散射，為透明木(樹脂折射率匹配再浸漬)提供基礎(chǔ)。工藝路線主要分為傳統(tǒng)化學(xué)法(去除效率高但有強(qiáng)氧化與廢液壓力)與綠色溶劑法(如DES，更溫和且更利于可持續(xù)規(guī)模化)。

圖7. 脫木質(zhì)素前后木材的結(jié)構(gòu)和性能表征。

圖8. 深共晶溶劑(DES)脫木質(zhì)素對木材結(jié)構(gòu)、成分和性能的影響。

(5) 木材—納米材料混合系統(tǒng)：把“活性位點/導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)/選擇性界面”裝進(jìn)孔道

納米材料集成往往決定功能上限：在木材孔道與表面引入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、催化活性位點或選擇性界面，可形成多尺度協(xié)同的復(fù)合體系。關(guān)鍵在于兼顧滲透/負(fù)載均勻性、界面結(jié)合與傳質(zhì)通道，同時控制團(tuán)聚與孔道堵塞。

圖9. 用于太陽能驅(qū)動水凈化的木質(zhì)復(fù)合材料的開發(fā)及功能納米材料的整合。

圖10. 將功能納米材料嵌入木材結(jié)構(gòu)的代表性原位策略。

圖11. 木材-納米材料復(fù)合材料的代表性自下而上策略。

IV三大應(yīng)用版圖：儲能、環(huán)境修復(fù)(水處理)、能量收集

(1) 能源存儲：木材孔道=三維反應(yīng)器，碳/復(fù)合=高效電極

在儲能領(lǐng)域，功能化木材的核心優(yōu)勢是把‘結(jié)構(gòu)’直接變成‘電極架構(gòu)’：取向孔道提供低阻補(bǔ)液與離子通道，碳化/石墨化提供連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合活性材料提供高容量/贗電容反應(yīng)位點。對于金屬離子電池，木基電極可緩解活性材料體積膨脹并提升倍率與循環(huán)壽命；對于超級電容器，木衍生多孔碳通過孔結(jié)構(gòu)可達(dá)性與表面化學(xué)調(diào)控實現(xiàn)高功率輸出，并可通過復(fù)合金屬化合物/導(dǎo)電聚合物提升能量密度。綜述強(qiáng)調(diào)：決定性能的不是某一種材料‘配方’，而是孔道傳質(zhì)—導(dǎo)電骨架—界面活性位點的協(xié)同設(shè)計。

圖12. 木材衍生材料在鋅-空氣電池中的功能應(yīng)用。

圖13. 木材衍生材料在鋰離子電池中的功能應(yīng)用。

圖14. 木材衍生碳材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

圖15. 用于超級電容器和混合儲能應(yīng)用的木材衍生碳結(jié)構(gòu)。

(2) 廢水處理與環(huán)境修復(fù)：把木材做成“高通量、可選擇、可反應(yīng)”的界面系統(tǒng)

水處理場景對材料提出三重要求：高通量、選擇性與可再生。木材的取向孔道天然適合構(gòu)建低壓降、高通量的過濾與傳質(zhì)界面；而脫木質(zhì)素與表面改性/復(fù)合又能引入可選擇吸附與催化反應(yīng)位點。綜述給出三條主線：催化分解污染物；過濾與吸附界面；太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)(光熱凈水/脫鹽)。同時強(qiáng)調(diào)從實驗室走向真實水體時，抗鹽、抗污染、耐久性與模塊化集成是關(guān)鍵。

圖16. 用于水凈化和高級氧化工藝的木材衍生復(fù)合催化劑。

圖17. 用于水凈化和離子分離的功能化木材膜。

圖18. 用于太陽能蒸汽產(chǎn)生的仿生木質(zhì)光熱材料。

圖19. 用于太陽能驅(qū)動水凈化的功能化木質(zhì)蒸發(fā)器。

(3) 能量收集：從光熱/光伏到水伏/離子遷移，再到木質(zhì)摩擦電發(fā)電

除了‘存能’，木材平臺也可用于‘取能’。光能利用側(cè)重光吸收界面與熱/電荷管理；水基能量轉(zhuǎn)換依賴孔道內(nèi)離子遷移與界面電荷；摩擦電則利用木材可加工與多孔表面實現(xiàn)高效起電。三者共同體現(xiàn)了木材平臺的跨場景可重構(gòu)能力。

圖20. 用于太陽能收集和發(fā)電的木質(zhì)基系統(tǒng)。

圖21. 用于能量轉(zhuǎn)換、電化學(xué)界面和太陽能脫鹽的木質(zhì)材料。

圖22. 用于水伏和離子熱電能量收集的木質(zhì)策略。

圖23. 木質(zhì)摩擦納米發(fā)電機(jī)(W-TENG)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝和表面改性策略。

圖24. 提高木質(zhì)摩擦納米發(fā)電機(jī)(W-TENG)性能的結(jié)構(gòu)改性策略。

圖25. 用于提升摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)性能的木質(zhì)基復(fù)合材料和木材衍生材料。

圖26. 木質(zhì)摩擦納米發(fā)電機(jī)(W-TENG)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用。

V總結(jié)

綜述系統(tǒng)梳理了功能化木材的‘結(jié)構(gòu)底座—工程策略—應(yīng)用版圖’邏輯：以天然取向孔道與可反應(yīng)表面為基底，通過機(jī)械加工、脫木質(zhì)素、熱碳化、激光誘導(dǎo)石墨化與納米材料集成等手段，實現(xiàn)孔道結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)與電/熱/離子傳輸?shù)目稍O(shè)計化，使木材從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料升級為可編程的綠色納米工程平臺。

基于上述策略，木基材料已在儲能(電池/超級電容)、水處理與環(huán)境修復(fù)(吸附-過濾、光催化、太陽能蒸發(fā))以及能量獲取與轉(zhuǎn)換(光熱/熱電/摩擦電/水伏等)等方向展現(xiàn)出兼具性能與可持續(xù)性的路徑。

面向落地，仍需解決三類關(guān)鍵問題：規(guī)模化制備的一致性與可重復(fù)；多功能集成過程中的界面耦合、傳質(zhì)/傳電與力學(xué)可靠性；以及濕熱、循環(huán)載荷等真實環(huán)境下的長期穩(wěn)定性與可回收/降解評估。

未來，功能化木材有望進(jìn)一步走向系統(tǒng)化與場景化設(shè)計：在生物醫(yī)工領(lǐng)域發(fā)展定向孔道支架與生物傳感；在柔性電子與信息器件中作為介電基底、離子導(dǎo)體或碳化導(dǎo)電元件；并與能源/環(huán)境系統(tǒng)深度集成，形成可規(guī)模制造、可維護(hù)、可持續(xù)的材料—器件—系統(tǒng)解決方案。

作者簡介

黃海波

本文通訊作者

蘇州大學(xué)副教授

▍主要研究領(lǐng)域

1、微機(jī)器人與微操作、顯微視覺及生物感知技術(shù)；2、自供電可穿戴柔性健康監(jiān)測器件；3、高性能二維納米材料傳感器件。

▍主要研究成果

2000年于浙江大學(xué)儀器科學(xué)及工程學(xué)系獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2004年于浙江大學(xué)控制科學(xué)及工程學(xué)系獲工學(xué)碩士學(xué)位，2008年于香港城市大學(xué)制造工程及工程管理學(xué)系獲博士學(xué)位，博士畢業(yè)后赴加拿大多倫多大學(xué)從事博士后研究工作。以第一或通訊作者在國際期刊與會議上發(fā)表論文50余篇，其中SCI收錄論文25篇。已申請中國國家專利60余項，其中以第一發(fā)明人授權(quán)美國發(fā)明專利3項、中國發(fā)明專利20余項。獲2019年教育部高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎自然科學(xué)獎二等獎。

Email：hbhuang@suda.edu.cn

文震

本文通訊作者

蘇州大學(xué)教授

▍主要研究領(lǐng)域

(1)納米傳感材料：楊氏模量梯度材料、液態(tài)金屬/導(dǎo)電高分子材料、離子電活性聚合物材料；(2)柔性傳感器件：摩擦電觸覺傳感器、柔性MEMS傳感器、有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管；(3)智能傳感系統(tǒng)：可穿戴生理信號監(jiān)測系統(tǒng)、電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)、無線無源傳感系統(tǒng)。

▍主要研究成果

蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院教授、院長助理，主要從事納米傳感材料、微納傳感器件、智能傳感系統(tǒng)等方面研究。以第一/通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇，總引用18000余次，h因子76，獲授權(quán)發(fā)明專利39項，其中12項已轉(zhuǎn)讓。主持國家重點研發(fā)計劃課題2項等，入選江蘇省高層次人才“333工程”、江蘇省優(yōu)青、江蘇省青托、江蘇省科技副總、全球前2%頂尖科學(xué)家榜單(終身榜)等，榮獲2024年中國商業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎、2025年MINE青年科學(xué)家獎等；目前擔(dān)任Nano Energy編輯、MINE期刊青年編委。

Email：wenzhen2011@suda.edu.cn

周赟磊

本文通訊作者

西安電子科技大學(xué)菁英副教授

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事可植入材料與電子器件，柔性傳感器方面的研究。

▍主要研究成果

西安電子科技大學(xué)杭州研究院/機(jī)電工程學(xué)院菁英副教授， 擔(dān)任Rare Metals學(xué)術(shù)副主編， Green Technologies and Sustainability期刊副主編，Soft Science期刊編委等。

Email：zhouyunlei@xidian.edu.cn