東北林業大學Adv. Mater.綜述:木材衍生的碳材料和發光材料
發布時間:2020-09-02     作者:harry   分享到:
木材作為傳統材料,為人類社會的發展做出了巨大貢獻。同時其廣泛用于建房,加熱,家具和紙張。此外,木材作為一種環保材料使得吸引更多的關注。從化學角度看,木材是一種天然的復合材料,由纖維素(占重量的40-45%),半纖維素(占重量的20-35%)和木質素(占重量的10-30%)組成。纖維素和半纖維素是多糖的一種,很容易碳化。慮到其自然的層次結構,具有高多糖含量的木材對于開發具有規則形態的碳材料是有利的。木質素是一種非均質非晶態聚合物,占木材細胞壁的很大比例,使其成為僅次于纖維素的地球上**大生物量。同時,木質素具有有趣的自締合和熒光發射特性,這促進了其作為自組裝發光納米材料的功能。此外,多糖和木質素均具有豐富的羥基部分,這使這些木材衍生的成分易于進行化學修飾。木材的這些固有優勢使其作為制造**碳和發光材料的原材料,盡管在木材衍生的**碳和發光材料的開發方面已取得了實質性進展,但對該研究領域的系統評估很少。近日,東北林業大學劉守新教授和李堅院士(通訊作者)提供了有關該領域進展的重要摘要。介紹了木材衍生碳材料和發光材料的**制備策略,性能和應用。重點討論了木材衍生的碳球、碳海綿和來自木材的碳纖維的制備策略,形成機理和形貌調整。同時詳細討論了這些材料的制備策略和結構-性能之間的關系。然后介紹了包括熒光碳點(CD),抗聚集淬滅(ACQ)的材料(抗ACQ材料)和圓偏振發光(CPL)材料等木材衍生的發光材料,包括它們的制造原理、結構和光學性能。這些木材衍生的碳和發光材料的應用包括吸附,生物成像,化學傳感,太陽能蒸汽和電子設備。討論了木質**材料的挑戰和未來展望。相關研究成果以“Wood-Derived Carbon Materials and Light-Emitting Materials”為題發表在Adv. Mater.上。 圖二、通過碳化轉化為碳球(CSs)
(a)通過水熱轉化(HTC)將纖維素轉化為富呋喃芳族網絡;(c)通過HTC由羧甲基纖維素(CMC)制備的光滑碳球(CSs);(d)通過HTC和軟模板的組合從CMC中制備的籠狀CSs;圖三、木材衍生的碳海綿
(a)通過模板說明超厚LiCoO2正極的制造過程;(b)電解液擴散性較差,鋰離子傳輸路徑較長的傳統電極以及具有垂直通道以縮短鋰離子傳輸路徑的木質電極,和超厚LiCoO2正極截面SEM圖像;圖五、碳氣凝膠
(a)通過定向冷凍方法制備C-CNC/rGO-X氣凝膠的示意圖;(b)C-CNC/rGO-glu2碳氣凝膠的超壓縮和彈性機理的數碼照片和示意圖;(d)CNT/rGO–CNF壓縮和恢復的數碼照片。 圖六、由木材衍生制備的熒光碳點
(a)通過水熱碳化制備木質素基碳點(CDs)的示意圖;(b)通過分子聚集及其發射的熒光圖像制備木質素基CDs;(c)纖維素衍生物基CDs的制備及其發射的熒光圖像;(d)制備基于纖維素衍生物的CD/水凝膠雜化物,并通過熒光圖像顯示其發射。圖七、纖維素/木質素抗ACQ材料
(a-c)纖維素基抗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)的示意圖。圖九、纖維素基CPL材料
(c)從膽甾型纖維素薄膜中組裝的非手性染料生成全色和可轉換CPL的插圖;(d)可調UC-CPL發射(450和620nm),具有量身定制的glum。圖十、主體材料
(a)太陽能輔助碳吸附劑的圖示說明了油的吸附過程;(b)用于水處理的Fe-Mn-O NS/木材碳膜的合成示意圖;(d)纖維素衍生的磁性碳吸附劑去除Cr(VI)的機理;圖十一、微波吸收
(a)用于電磁吸收應用的源自生物質的多孔碳的示意圖,顯示了多孔碳的制造過程; 圖十二、能量存儲和轉換
(a-d)依次為活性炭纖維基超級電容器,含CNT的碳化木基高性能超級電容器,分層多孔碳板從木材衍生為雙功能ORR/OER電極和一種全木材,低彎曲,水,可生物降解的超級電容器,具有超高電容。圖十三、太陽能蒸汽發生裝置
(a-d)基于表面碳化的木材和完全碳化的木材的CW-SSGDs的示意圖。 圖十四、催化作用
(b)顯示了CW-CNT@NC-NiFe電極的開放和低曲折結構;(c)在N‐C‐NiFe納米粒子上發生氫釋放反應的示意圖;(d)CW-CNT@NC-NiFe電極的制造過程示意圖。圖十五、生物成像與傳感
(a)水凝膠的明場圖像(左上方)和熒光圖像(左下方);(b)AW 264.7巨噬細胞的共聚焦熒光顯微鏡圖像;(c)CNF/CD氣凝膠的明場圖像(左上方)和熒光圖像(左下方)。總之,木材和木材衍生的成分(包括纖維素,半纖維素和木質素)不僅具有生物相容性和豐富的地球資源,而且具有自然提供的潛在優勢,可能夠帶來潛在的轉換性能。由于具有這些固有的優勢,源自木材的碳材料和發光材料正成為應對一系列技術挑戰的有吸引力的解決方案。盡管在這些領域已經取得了相當大的進步,但是目前仍然存在一些挑戰,限制了**的木材衍生碳材料和發光材料的實際使用,特別是在能源和生物醫學領域的新興應用中。木材衍生的碳材料面臨的這些挑戰包括:對木材衍生的碳化過程的基本了解有限,以及需要制定一種將木材衍生的組件有針對性地轉化為規則形態的碳材料的策略。此外,理想的是,將來開發一種簡便的方法來動態調整木材衍生碳材料從纖維,球形到泡沫的形態。木質發光材料面臨的挑戰包括需要將木質發光材料的發射波長紅移到近紅外光學窗口。較長的光學窗口使其能夠穿透深層組織,從而促進了它們在體外和體內作為生物成像和**試劑的應用。還需要開發更具可持續性的具有刺激響應性可調特性的抗ACQ熒光材料和CPL材料。將來,可能會使用更多的天然染料來替代可用的基于汽油的染料,與纖維素一起用于制備抗ACQ材料。以這種方式,可以獲得純的可持續固體排放材料。對于CPL材料,也可以將刺激敏感的成分(如熱,光或氧化還原響應性分子/聚合物)組裝在纖維素手性薄膜中,以生產對外部刺激具有動態響應的CPL材料。**,這兩種類型的木材衍生材料大部分都是由木材衍生的組件而非原始木材生產的。因此,有必要設計一種低成本,綠色的方法來分離纖維素,半纖維素,木質細胞壁中的木質素。作者相信,**范圍內的共同努力將克服這些挑戰,并促進木材衍生的碳和發光材料的進一步發展,這將大大改善日常生活。