东北林业大学最新Adv. Mater.综述：木材衍生的碳材料和发光材料

【引言】

木材作为传统材料，为人类社会的发展做出了巨大贡献。同时其广泛用于建房，加热，家具和纸张。此外，木材作为一种环保材料使得吸引更多的关注。从化学角度看，木材是一种天然的复合材料，由纤维素（占重量的40-45％），半纤维素（占重量的20-35％）和木质素（占重量的10-30％）组成。纤维素和半纤维素是多糖的一种，很容易碳化。虑到其自然的层次结构，具有高多糖含量的木材对于开发具有规则形态的碳材料是有利的。木质素是一种非均质非晶态聚合物，占木材细胞壁的很大比例，使其成为仅次于纤维素的地球上第二大生物量。同时，木质素具有有趣的自缔合和荧光发射特性，这促进了其作为自组装发光纳米材料的功能。此外，多糖和木质素均具有丰富的羟基部分，这使这些木材衍生的成分易于进行化学修饰。木材的这些固有优势使其作为制造高级碳和发光材料的原材料，尽管在木材衍生的高级碳和发光材料的开发方面已取得了实质性进展，但对该研究领域的系统评估很少。

近日，东北林业大学刘守新教授和李坚院士（通讯作者）提供了有关该领域最新进展的重要摘要。介绍了最新的木材衍生碳材料和发光材料的典型制备策略，性能和应用。重点讨论了木材衍生的碳球、碳海绵和来自木材的碳纤维的制备策略，形成机理和形貌调整。同时详细讨论了这些材料的制备策略和结构-性能之间的关系。然后介绍了包括荧光碳点（CD），抗聚集淬灭（ACQ）的材料（抗ACQ材料）和圆偏振发光（CPL）材料等木材衍生的发光材料，包括它们的制造原理、结构和光学性能。这些木材衍生的碳和发光材料的应用包括吸附，生物成像，化学传感，太阳能蒸汽和电子设备。最后，讨论了木质先进材料的挑战和未来展望。相关研究成果以“Wood-Derived Carbon Materials and Light-Emitting Materials”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、由木材衍生材料制备碳和发光材料的示意图

图二、通过碳化转化为碳球（CSs）

（a）通过水热转化（HTC）将纤维素转化为富呋喃芳族网络；

（b）纤维素衍生的碳微球复合材料的形成过程；

（c）通过HTC由羧甲基纤维素（CMC）制备的光滑碳球（CSs）；

（d）通过HTC和软模板的组合从CMC中制备的笼状CSs；

（e）由葡萄糖制备的具有Au核的碳球。

图三、木材衍生的碳海绵

（a）通过模板说明超厚LiCoO₂正极的制造过程；

（b）电解液扩散性较差，锂离子传输路径较长的传统电极以及具有垂直通道以缩短锂离子传输路径的木质电极，和超厚LiCoO₂正极截面SEM图像；

（c）具有CA-木/Ru正极的锂氧电池示意图；

（d）高度压缩的WCS的设计和制造过程的说明图；

（e）合成柔性和导电的碳/硅氧烷复合材料的途径；

图四、碳纤维

（a）由纤维素制备碳化纤维的示意图；

（b）由木质素制备碳化纤维的示意图。

图五、碳气凝胶

（a）通过定向冷冻方法制备C-CNC/rGO-X气凝胶的示意图；

（b）C-CNC/rGO-glu2碳气凝胶的超压缩和弹性机理的数码照片和示意图；

（c）CNT/rGO-CNF气凝胶制备示意图；

（d）CNT/rGO–CNF压缩和恢复的数码照片。

图六、由木材衍生制备的荧光碳点

（a）通过水热碳化制备木质素基碳点（CDs）的示意图；

（b）通过分子聚集及其发射的荧光图像制备木质素基CDs；

（c）纤维素衍生物基CDs的制备及其发射的荧光图像；

（d）制备基于纤维素衍生物的CD/水凝胶杂化物，并通过荧光图像显示其发射。

图七、纤维素/木质素抗ACQ材料

（a-c）纤维素基抗ACQ二甲苯四羧酸材料（a）、CA-FITC和CA-PpIX材料（b）和香豆素材料（c）的示意图；

图八、纤维素分解酶木质素的AIE荧光

（a）木质素的AIE荧光示意图；

（b）C-CNC在紫外线下的AIE荧光；

（c）在紫外线下聚集诱导的纤维素衍生物的发射。

图九、纤维素基CPL材料

（a）含有芘基团的纤维素基CPL材料；

（b）蒸发诱导的CNC衍生CDs协同组装示意图；

（c）从胆甾型纤维素薄膜中组装的非手性染料生成全色和可转换CPL的插图；

（d）可调UC-CPL发射（450和620nm），具有量身定制的g_lum。

图十、主体材料

（a）太阳能辅助碳吸附剂的图示说明了油的吸附过程；

（b）用于水处理的Fe-Mn-O NS/木材碳膜的合成示意图；

（c）由纳米纤维素制成的碳气凝胶吸收了庚烷；

（d）纤维素衍生的磁性碳吸附剂去除Cr（VI）的机理；

（e）木质素衍生的碳吸附剂的SEM图像；

图十一、微波吸收

（a）用于电磁吸收应用的源自生物质的多孔碳的示意图，显示了多孔碳的制造过程；

（b）多孔生物质热解碳材料（I–VI）的图像；

图十二、能量存储和转换

（a-d）依次为活性炭纤维基超级电容器，含CNT的碳化木基高性能超级电容器，分层多孔碳板从木材衍生为双功能ORR/OER电极和一种全木材，低弯曲，水，可生物降解的超级电容器，具有超高电容。

图十三、太阳能蒸汽发生装置

（a-d）基于表面碳化的木材和完全碳化的木材的CW-SSGDs的示意图；

图十四、催化作用

（a）CND/TiO₂在可见光照射下的催化机理；

（b）显示了CW-CNT@NC-NiFe电极的开放和低曲折结构；

（c）在N‐C‐NiFe纳米粒子上发生氢释放反应的示意图；

（d）CW-CNT@NC-NiFe电极的制造过程示意图。

图十五、生物成像与传感

（a）水凝胶的明场图像（左上方）和荧光图像（左下方）；

（b）AW 264.7巨噬细胞的共聚焦荧光显微镜图像；

（c）CNF/CD气凝胶的明场图像（左上方）和荧光图像（左下方）。

【小结】

总之，木材和木材衍生的成分（包括纤维素，半纤维素和木质素）不仅具有生物相容性和丰富的地球资源，而且具有自然提供的潜在优势，可能够带来潜在的转换性能。由于具有这些固有的优势，源自木材的碳材料和发光材料正成为应对一系列技术挑战的有吸引力的解决方案。尽管在这些领域已经取得了相当大的进步，但是目前仍然存在一些挑战，限制了先进的木材衍生碳材料和发光材料的实际使用，特别是在能源和生物医学领域的新兴应用中。木材衍生的碳材料面临的这些挑战包括：对木材衍生的碳化过程的基本了解有限，以及需要制定一种将木材衍生的组件有针对性地转化为规则形态的碳材料的策略。此外，理想的是，将来开发一种简便的方法来动态调整木材衍生碳材料从纤维，球形到泡沫的形态。木质发光材料面临的挑战包括需要将木质发光材料的发射波长红移到近红外光学窗口。较长的光学窗口使其能够穿透深层组织，从而促进了它们在体外和体内作为生物成像和治疗试剂的应用。还需要开发更具可持续性的具有刺激响应性可调特性的抗ACQ荧光材料和CPL材料。将来，可能会使用更多的天然染料来替代可用的基于汽油的染料，与纤维素一起用于制备抗ACQ材料。以这种方式，可以获得纯的可持续固体排放材料。对于CPL材料，也可以将刺激敏感的成分（如热，光或氧化还原响应性分子/聚合物）组装在纤维素手性薄膜中，以生产对外部刺激具有动态响应的CPL材料。迄今为止，这两种类型的木材衍生材料大部分都是由木材衍生的组件而非原始木材生产的。因此，有必要设计一种低成本，绿色的方法来分离纤维素，半纤维素，木质细胞壁中的木质素。作者相信，全球范围内的共同努力将克服这些挑战，并促进木材衍生的碳和发光材料的进一步发展，这将大大改善日常生活。

文献链接：“Wood-Derived Carbon Materials and Light-Emitting Materials”(Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.202000596)

本文由材料人CYM编译供稿。