馬里蘭大學胡良兵Chem：彈性木頭碳海綿

【引言】

在過去的幾十年中，可壓縮含碳材料由石墨烯，碳納米管，碳納米纖維和富勒烯構成。由于優異的電氣和機械性能，石墨烯一直是最受歡迎的成分之一。但是其制造過程復雜，并且起始原材料通常涉及不可再生的化石資源。相較而言，基于生物質的材料是可再生的，同時能夠提供簡單的方法來構建可壓縮含碳材料。在此基礎上，近期幾種生物質材料如甲殼素、細菌纖維素、西瓜等已轉化為可壓縮含碳材料。然而，使用這些生物質所得材料電學和機械性能較差。因此，通過合理的結構設計，以簡單、低成本、“綠色”和可擴展的方式構建可壓縮含碳材料，并且具備良好電氣和機械特性，是非常具有挑戰性的。

【成果簡介】

近日，馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授，華中科技大學謝佳教授（共同通訊作者）等人通過可擴展和可持續的自上而下的方法，直接從天然輕木制造高度輕質和可壓縮的木炭海綿。化學處理從木材細胞壁去除木質素和半纖維素，直接將格狀剛性木結構轉化為彈簧狀可壓縮層狀結構。木炭海綿作為應變傳感器展現了優越的機械性能和靈敏的電響應性。該成果以“Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge”為題發表在期刊Chem上。

【圖文導讀】

圖1 脆性WC和高可壓縮WCS的設計和制造過程

由于獨特的拱形分層結構，WCS具有各向異性的機械性能并且具有高度的可壓縮性。

圖2 化學處理后天然輕木的化學結構演變

（A）化學處理后天然輕木的化學成分和結構變化。

（B）化學處理時未碳化前體的組成變化。

（C）纖維素，半纖維素和木質素的含量變化。誤差線表示三組數據點的標準偏差。

（D-G）天然木材的SEM圖像。

（H-K）經處理后木材的SEM圖像。

圖3 WC和WCS的形態和結構特征

（A-C）天然木材直接碳化的WC的SEM圖像。

（D-F）經處理后的木材碳化的WCS的SEM圖像。

（G-I）壓縮前（G），壓縮（H）和釋放后（I）WC塊的照片。

（J-L）壓縮前（J），壓縮（K）和釋放后（L）WCS塊的照片。

圖4 WCS和WC的力學性能

（A）不同受力載荷下WCS的應力-應變曲線，插圖為不同點在壓縮過程中的WCS材料。

（B）從五次重復循環中獲得的WCS的應力-應變曲線。

（C）每個循環中WCS的能量損失ΔU/ U。

（D）WC的應力-應變曲線。

（E）在50％應變的10,000次循環期間的彈性強度保持率，插圖為WCS材料的重復壓縮。

圖5 基于WCS的應變傳感器性能

（A）WCS應變傳感器。

（B）WCS應變傳感器在壓縮和釋放狀態下的圖解說明。

（C）WCS應變傳感器在釋放狀態下的LED燈照片。

（D）WCS應變傳感器在壓縮狀態下的LED燈照片。

（E）不同壓縮比的WCS應變傳感器的電導率。誤差線表示三組數據點的標準差。

（F-G）手指上的應變傳感器在不同的漸進運動（F，兩次運動; G，三次運動）下的電流變化（ΔI/ I₀）。

【小結】

研究表明木材可以通過木質素和半纖維素去除，然后碳化直接轉化成高度可壓縮的木炭海綿（WCS）。通過化學處理去除木質素和半纖維素破壞天然木材的細胞壁，產生具有許多堆疊拱形層的層狀結構。甚至在高溫碳化之后，層狀結構仍可以很好地保存。有趣的是，這種層狀結構具有高達80％的高可壓縮性，且在50％應變下10,000個壓縮循環的高抗疲勞性。同時，WCS在壓縮時也表現出敏感的電導率變化。預計未來的應用，包括柔性電子器件、可充電電池等。這種新的制造戰略為開發海綿狀功能材料開辟了新的道路。

文獻鏈接：Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge（Chem，2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2017.12.028）

【團隊介紹】
胡良兵教授長期從事纖維素及木頭材料的大規模制備、功能化方面的工作，近年來取得一系列原創性的成果，成功開發了透明纖維素膜、透明木頭、超強木頭、柔性木頭、海水淡化木頭、全木制電容器等木頭基儲能器件，等等。原創性的工作引起全球新聞媒體的廣泛報道，具有較大的社會影響力。謝佳教授長期從事儲能材料開發與產業化方面的工作，近年來與胡良兵教授合作在木頭基儲能器件、海水淡化器件開發方面取得一系列原創性成果。李騰教授長期從事結構材料開發、力學分析與模擬方面的工作，近年來與胡良兵教授合作在纖維素增強增韌、超強木頭等方面取得一系列進展。

團隊在該領域工作匯總及相關優質文獻推薦：

透明木頭：Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201600427）

柔性木頭：Superflexible Wood （ACS Appl. Mater. Interfaces，2017，DOI: 10.1021/acsami.7b06529）

全木制電容器：All-wood, low tortuosity, aqueous, biodegradable supercapacitors with ultra-high capacitance（Energ. Environ. Sci.，2017，DOI: 10.1039/C7TA05667B）

海水淡化木頭：Highly Flexible and Efficient Solar Steam Generation Device（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201701756）

纖維素增強增韌：Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper（PNAS，2015，doi.org/10.1073/pnas.1502870112）

感謝胡良兵教授課題組陳朝吉博士對本文的支持與斧正！

本文由材料人編輯部學術組Meadow供稿，材料牛整理編輯。

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