马里兰大学胡良兵Chem：弹性木头碳海绵

【引言】

在过去的几十年中，可压缩含碳材料由石墨烯，碳纳米管，碳纳米纤维和富勒烯构成。由于优异的电气和机械性能，石墨烯一直是最受欢迎的成分之一。但是其制造过程复杂，并且起始原材料通常涉及不可再生的化石资源。相较而言，基于生物质的材料是可再生的，同时能够提供简单的方法来构建可压缩含碳材料。在此基础上，近期几种生物质材料如甲壳素、细菌纤维素、西瓜等已转化为可压缩含碳材料。然而，使用这些生物质所得材料电学和机械性能较差。因此，通过合理的结构设计，以简单、低成本、“绿色”和可扩展的方式构建可压缩含碳材料，并且具备良好电气和机械特性，是非常具有挑战性的。

【成果简介】

近日，马里兰大学胡良兵教授和李腾教授，华中科技大学谢佳教授（共同通讯作者）等人通过可扩展和可持续的自上而下的方法，直接从天然轻木制造高度轻质和可压缩的木炭海绵。化学处理从木材细胞壁去除木质素和半纤维素，直接将格状刚性木结构转化为弹簧状可压缩层状结构。木炭海绵作为应变传感器展现了优越的机械性能和灵敏的电响应性。该成果以“Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge”为题发表在期刊Chem上。

【图文导读】

图1 脆性WC和高可压缩WCS的设计和制造过程

由于独特的拱形分层结构，WCS具有各向异性的机械性能并且具有高度的可压缩性。

图2 化学处理后天然轻木的化学结构演变

（A）化学处理后天然轻木的化学成分和结构变化。

（B）化学处理时未碳化前体的组成变化。

（C）纤维素，半纤维素和木质素的含量变化。误差线表示三组数据点的标准偏差。

（D-G）天然木材的SEM图像。

（H-K）经处理后木材的SEM图像。

图3 WC和WCS的形态和结构特征

（A-C）天然木材直接碳化的WC的SEM图像。

（D-F）经处理后的木材碳化的WCS的SEM图像。

（G-I）压缩前（G），压缩（H）和释放后（I）WC块的照片。

（J-L）压缩前（J），压缩（K）和释放后（L）WCS块的照片。

图4 WCS和WC的力学性能

（A）不同受力载荷下WCS的应力-应变曲线，插图为不同点在压缩过程中的WCS材料。

（B）从五次重复循环中获得的WCS的应力-应变曲线。

（C）每个循环中WCS的能量损失ΔU/ U。

（D）WC的应力-应变曲线。

（E）在50％应变的10,000次循环期间的弹性强度保持率，插图为WCS材料的重复压缩。

图5 基于WCS的应变传感器性能

（A）WCS应变传感器。

（B）WCS应变传感器在压缩和释放状态下的图解说明。

（C）WCS应变传感器在释放状态下的LED灯照片。

（D）WCS应变传感器在压缩状态下的LED灯照片。

（E）不同压缩比的WCS应变传感器的电导率。误差线表示三组数据点的标准差。

（F-G）手指上的应变传感器在不同的渐进运动（F，两次运动; G，三次运动）下的电流变化（ΔI/ I₀）。

【小结】

研究表明木材可以通过木质素和半纤维素去除，然后碳化直接转化成高度可压缩的木炭海绵（WCS）。通过化学处理去除木质素和半纤维素破坏天然木材的细胞壁，产生具有许多堆叠拱形层的层状结构。甚至在高温碳化之后，层状结构仍可以很好地保存。有趣的是，这种层状结构具有高达80％的高可压缩性，且在50％应变下10,000个压缩循环的高抗疲劳性。同时，WCS在压缩时也表现出敏感的电导率变化。预计未来的应用，包括柔性电子器件、可充电电池等。这种新的制造战略为开发海绵状功能材料开辟了新的道路。

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

【团队介绍】
胡良兵教授长期从事纤维素及木头材料的大规模制备、功能化方面的工作，近年来取得一系列原创性的成果，成功开发了透明纤维素膜、透明木头、超强木头、柔性木头、海水淡化木头、全木制电容器等木头基储能器件，等等。原创性的工作引起全球新闻媒体的广泛报道，具有较大的社会影响力。谢佳教授长期从事储能材料开发与产业化方面的工作，近年来与胡良兵教授合作在木头基储能器件、海水淡化器件开发方面取得一系列原创性成果。李腾教授长期从事结构材料开发、力学分析与模拟方面的工作，近年来与胡良兵教授合作在纤维素增强增韧、超强木头等方面取得一系列进展。

团队在该领域工作汇总及相关优质文献推荐：

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

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

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

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

纤维素增强增韧：Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper（PNAS，2015，doi.org/10.1073/pnas.1502870112）

感谢胡良兵教授课题组陈朝吉博士对本文的支持与斧正！

本文由材料人编辑部学术组Meadow供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com

材料测试，数据分析，上测试谷！