?小小木頭的七十二變 ｜“木頭大王”胡良兵頂刊研究近展

Alisa 4年前 (2019-11-08) 5906瀏覽

胡良兵：美國馬里蘭大學帕克分校材料科學與工程系副教授，博士生導師，先進材料與紡織中心主任（CAPT）。已在Science, Nature, ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Reviews, Nano Letters等頂級期刊上發表學術論文200余篇，被引用超過15,000次。

胡良兵的木頭會呼吸。2013年將木頭用于鈉電池；2016年成功做出透明的木頭玻璃窗。后來，木頭在胡良兵的手上被玩出了花樣，經他手的木頭會變成電解質、水凝膠、海綿、衣服，也會變成Li-CO2電池、鋰氧電池、太陽能、超級電容器、電催化的重要部件，創新性與實用性兼具，是名副其實的“木頭大王”。進入2019年，我們來看看“木頭大王”如何玩轉小小木頭的。

1. AFM：高導電性的陽離子木膜

馬里蘭大學的胡良兵教授團隊，制備了一種高導電性的陽離子膜。高強度、高離子導電性能的陽離子木膜是直接從天然木材通過兩個步驟的過程開發的，包括醚化和致密化。首次直接將陽離子基團(-(CH3)3N+Cl-)直接引入在天然木材的纖維素中，Zeta電位由-27 mV增加到+37 mV, 不僅增加了木頭中纖維素的表面電荷密度，而且使得原本帶負電的纖維素能夠在電解液中呈現正電性。致密化處理消除了天然木材的大孔隙，具有了定向纖維素納米纖維的高層壓結構和高的機械抗拉強度，在干燥條件下達到350 MPa(比未處理的高出20倍)，在潮濕條件下98 MPa(比未處理的高出5.5倍) 。該緊密的結構不僅保證了木材基膜的高強度，也消除了天然木材中不利于離子傳輸的微孔孔道。在10×10?3?m的低KCl濃度下，其離子傳導率是天然木材的25倍。所制備的陽離子木膜具有較強的機械強度和優異的納米流體離子輸運性能，為從可再生、豐富的天然材料中開發高性能的納米流體材料指明了方向。相關研究以“A Highly Conductive Cationic Wood Membrane”為題，發表在AFM上。

文獻鏈接：Adv. Funct. Mater. 2019, 1902772.

圖1?陽離子木膜結構及抗拉強度、電導率性能

2. AFM：有效清理高粘原油的太陽能熱碳吸收劑

由于原油在室溫下流動緩慢，如何有效地清除原油是一個世界性難題。使用物理吸收器、脫脂器和真空技術的傳統石油修復方法要么顯示出較低的吸收效率，要么存在嚴重的操作限制。胡良兵教授團隊受樹木高效被動蒸騰作用的啟發，研制了一種新型太陽能熱碳吸收器。獨特的多孔結構的碳吸收器可以擴展光吸收路徑,引導熱傳輸的方向,降低原油流動阻力，使碳吸收器具有較大的太陽能吸收效率, 具有優異的熱管理及快速毛細管驅動的吸油性能。多孔結構的低彎曲度和高效的太陽熱轉換使吸收塔在標準太陽照射下30s內獲得1550 mL m?2的原油吸收率，比以前報道的原油被動吸收的速度快10倍。由于其獨特的結構設計、較低的運行成本和較快的吸油速度，為解決大面積災變稠油泄漏問題提供了一種有希望的解決方案。相關研究以“Bioinspired Solar-Heated Carbon Absorbent for Effcient Cleanup of Highly Viscous Crude Oil”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：Adv. Funct. Mater. 2019, 1900162.

圖2?HC-木材的形態和熱性能的表征

3. AFM：自形成可阻燃木材結構材料

木材是最豐富、可持續、美觀的結構材料之一，通常用于建筑和家具的建造。然而，木材的火危害是其實際應用的一個主要安全問題。在此，胡良兵教授團隊證明了一種有效的、環保的方法，通過脫木素和致密化大幅度提高木材材料的阻燃性能。致密化過程消除了細胞壁之間的空間，形成高度緊湊的層狀結構，可以阻止氧氣使材料膨脹。此外，在燃燒過程中自形成的絕緣木炭層阻礙了熱量和氧氣的傳輸擴散。這些協同作用使得該材料具有優良的阻燃性和自滅性，包括著火時間提高了2.08倍，最大放熱率降低了34.6%。同時，經過90 s火焰處理后，致密化木材的抗壓強度較天然木材提高了82倍以上，有效地防止了木結構的倒塌和破壞，為火災發生時的搶救提供了寶貴的時間。簡單的自頂向下的化學去木質素化和致密化過程能夠顯著提高阻燃性能和機械魯棒性，是阻燃和高強度結構材料的一個有前途的方向。相關研究以“Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：Adv. Funct. Mater. 2019, 1807444.

圖3?自成型阻燃木層的工作原理

4. AM：高性能再生太陽能蒸發器用于連續海水淡化

新興的太陽能界面蒸發脫鹽技術以其高效的太陽蒸汽效率、低的環境影響和離網能力，在應對全球水資源短缺方面顯示出巨大的潛力。然而，溶質在加熱界面的積累嚴重影響了現有太陽能蒸發系統的性能和長期穩定性。胡良兵教授團隊報道了一種自生太陽能蒸發器，該蒸發器在天然木材基板上采用合理設計的人工溝道陣列，具有良好的防污性能。在太陽蒸發作用下，由于不同的水力傳導性，在毫米級的鉆孔通道(低鹽濃度)和微米級的天然木材通道(高鹽濃度)之間形成了鹽濃度梯度。濃度梯度允許通道間自發的鹽交換，使得微細木材孔道中的鹽被稀釋。因此，具有高水力導率的鉆孔通道可以作為排鹽通道，可以快速地與溶液交換鹽，使蒸發器能夠實時地自我再生。與其它抗鹽設計相比，在標準太陽照射下的高濃鹽溶液(20 wt% NaCl)中太陽能蒸發器的效率最高(≈75%)，且長期穩定(100 h以上連續操作)。相關研究以“A High-Performance Self-Regenerating Solar Evaporator for Continuous Water Desalination”為題目，發表在 AM上。

文獻鏈接：Adv. Mater. 2019, 1900498.

圖4?界面蒸發太陽能淡化原理圖

5. AM：精密壓印納米結構木材

提升天然材料的功能和性能，拓展其現代應用，將對社會的可持續發展起到重要的推動作用木材是由縱向排列的細胞構成的多孔結構，微米尺度的粗糙表面難以形成納米結構。馬里蘭大學胡良兵教授聯合南京大學的祝名偉教授成功制備出了尺度跨度從約40nm納米半球到尺度約50微米的壓印圖案。通過脫木質素工藝將纖維素纖維骨料從木質素的束縛中釋放出來，然后在潮濕條件下進行印跡，并在干燥條件下固定設計的構型，從而實現精確的印跡。利用刻印技術在木材表面上制作出各種精密結構，包括點陣、線條、三角形特征和其他復雜的圖案。甚至可以在微米級的半邊球表面獲得具有納米線的多尺度結構。與傳統聚苯乙烯微透鏡陣列(MLA)相比，使用表面印跡木材作為MLA，顯示出優越的成像能力和熱穩定性，即使在高達150°C的高溫也能保持熱穩定性。這種精密的木刻技術為環保設備和光學、生物、電子等領域的應用開辟了新的可能性。相關研究以“Precision Imprinted Nanostructural Wood”為題目，發表在AM上 。

文獻鏈接：Adv. Mater. 2019, 1903270.

圖5?印跡木材的制作原理圖及具有可控的表面微觀結構

6. ACS NANO：木材走向高性能建造材料

開發具有良好隔熱和光學性能的先進建筑材料，以取代普通玻璃(導熱系數：～1w m?1k?1)是非常適合于節能應用。近年來透明木材的發展使其成為一種很有發展前景的建筑材料，具有透光率高、光學霧度可調、隔熱性能好等優點。但是，以往的透明木材料一般都有很高的霧度(>40%)，這是它們實際應用于替代玻璃的主要障礙。在這項工作中，胡良兵教授團隊使用脫木素和聚合物滲透的方法，制作了一種透光率高達90%，霧度為10%的透明木材材料。木材成分的顯著去除導致了高度多孔的微結構、更薄的木材細胞壁和纖維素纖維之間的大空隙，聚合物很容易進入，導致透明木材的致密結構。去除木材成分所產生的分離纖維素纖維極大地削弱了光在透明木材中的散射，再加上高密度的結構產生了高透光率和極低的霧度。此外，透明木材具有良好的隔熱性能，導熱系數為0.35 W m?1?K?1(普通玻璃的三分之一)；因此，使用透明木材可以大大提高建筑的能源效率。開發的透明木材，結合了優異的隔熱和光學性能，代表了一個有吸引力的替代普通玻璃的節能建筑。相關研究以“Clear Wood toward High-Performance?Building Materials”為題目，發表在ACS NANO上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsnano.9b00089.

圖6?透明木材及其數字圖像示意圖

7. AEM：三步設計高性能柔性鋰氧電池

樹木有一個豐富的多相輸送水、離子和營養物質的通道網絡。近年來的研究表明，離子、氧氣和電子的多相傳輸在鋰-氧電池中也起著重要的作用。這兩種系統在運輸行為上的相似性啟發了從天然木材中開發鋰-氧電池的靈感，這種木材具有非競爭性和連續的離子、O2和電子的獨立通道。通過脫木素處理和隨后的碳納米管/Ru納米顆粒涂層工藝，可以將剛性和電絕緣的木膜轉化為柔性和導電材料。由此產生的細胞壁由具有豐富納米孔的纖維素納米纖維組成，這是Li+離子運輸的理想材料，而未受干擾的木材管腔則是O2氣體運輸的通道。非競爭性的三通道設計使木質陰極在100 mA g?1時具有0.85 V的低過電位，67.2 mAh cm?2的創紀錄面積容量，220個循環周期的長壽命，以及優異的電化學和機械穩定性。這種卓越的電化學性能、出色的機械靈活性、可再生且具有成本效益的原材料，通過一種受大自然啟發的設計，為開發便攜式儲能設備提供了新的機遇。相關研究以“Nature-Inspired Tri-Pathway Design Enabling?High-Performance Flexible Li–O2?Batteries”為題目，發表在AEM上。

文獻鏈接：Adv. Energy Mater. 2019, 1802964.

圖7?樹形三通道設計柔性Li-O2電池示意圖

8. NatureMaterials：纖維素離子導體用于低等級的熱量收集

把低熱值的熱量轉化為有用的電能需要一種高效、低成本的技術。在這里，胡良兵教授團隊 演示了一種纖維素膜，它依賴于亞納米級的限制離子在氧化和排列的纖維素分子鏈中來增強熱梯度下的選擇性擴散。在將電解質滲透到纖維素膜并施加軸向溫度梯度后，離子導體的熱梯度比(類似于熱電學中的塞貝克系數)為24 mV k -1，是目前報道的最高值的兩倍多。我們將增強的熱產生電壓歸因于有效地將鈉離子插入到由II型纖維素組成的纖維素膜的帶電分子鏈中，而這一過程不會發生在天然木材或I型纖維素中。通過這種材料，我們展示了一種靈活的、生物相容性強的熱電轉換裝置，該裝置通過納米級工程，基于可持續的材料，可以實現大規模生產。相關研究以“Cellulose ionic conductors with high differential?thermal voltage for low-grade heat harvesting”為題目，發表在Nature Materials上。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0315-6.

圖8?由高縱橫比、定向排列的纖維素納米纖維組成的離子導體原理圖

9. Science:一種輻射冷卻結構材料

減少人類對空調等低能效制冷方法的依賴，將對全球能源格局產生重大影響。通過對木材進行完全脫木素和致密化處理，馬里蘭大學胡良兵和科羅拉多大學波爾得分校尹曉波團隊研制出一種工程材料，其中的纖維素納米纖維反向散射太陽輻射，并在中紅外波長中發射出強烈的輻射，可在夜間和白天連續的亞環境冷卻。通過模擬了木材冷卻的潛在影響，發現節省的能源在20%到60%之間，這在炎熱和干燥的氣候中最為明顯。冷卻木材具有良好的白度，不吸收可見光，這是由于纖維素纖維的光學損耗低和材料的無序光子結構造成的。在冷卻木材的紅外范圍內釋放的能量超過了接收到的太陽能。通過對暴露在天空中的天然木材和冷卻木材樣品的實時溫度測量，證實了這種冷卻效果。降溫木材在夜間和白天的平均冷卻功率分別為63 W/m2和16 W/m2。全天的平均冷卻功率為約50 W/m2。夜間和白天分別能夠實現平均低于環境溫度>9 ℃和>4 ℃的降溫。此外，冷卻木材的韌性是天然木材的10.1倍，機械強度為404.3兆帕斯卡，是天然木材強度的8倍以上。冷卻木材固有的輕量化特性使其強度是廣泛使用的Fe-Mn-Al-C結構鋼的三倍。同時，這種多功能、可伸縮的冷木材料為未來的節能和可持續建筑應用帶來了希望，能夠大幅減少碳排放和能源消耗。相關研究以“A radiative cooling structural material”為題目發表在Science上。

文章鏈接：Science 364 (6442), 760-763, 2019.

圖9?冷卻木材結構及日間輻射冷卻

10. Science Advances：疏水的納米結構木材膜的熱有效蒸餾

目前膜蒸餾（MD）技術面臨著膜孔率和熱導率控制的水熱分離效率低的挑戰。這是現有的石油衍生聚合物膜面臨主要的發展障礙。在這里，科羅拉多大學博爾德分校的Zhiyong Jason Ren教授以及馬里蘭大學的胡良兵教授團隊展示了一個強大的MD膜直接從可持續的木材材料中獲得。疏水納米木膜孔隙率高(89±3%)，孔結構層次分明，結晶纖維素納米纖維、木質部導管和管腔(通道)的孔徑分布較寬，有利于水蒸氣的輸送。橫向導熱系數極低，降低了導熱系數。然而，沿纖維的高導熱性使得沿軸向的熱耗散效率很高。因此，該膜具有良好的本征透氣性(1.44±0.09 kg m?1?K?1?s?1 Pa?1)和熱效率(60℃時約為70%)。納米材料的熱效率、水通量、可擴展性和可持續性等特性使其非常適合于醫學領域的應用。相關研究以“Hydrophobic nanostructured wood membrane for?thermally efficient distillation”為題目，發表在Science Advances上 。

文獻鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw3203.

圖10?MD用納米木膜的工藝原理圖

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