東北林業(yè)大學(xué)Adv. Mater.綜述:木材衍生的碳材料和發(fā)光材料
發(fā)布時(shí)間:2020-09-02     作者:harry   分享到:
木材作為傳統(tǒng)材料,為人類社會(huì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)其廣泛用于建房,加熱,家具和紙張。此外,木材作為一種環(huán)保材料使得吸引更多的關(guān)注。從化學(xué)角度看,木材是一種天然的復(fù)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(zhì)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(jié)構(gòu),具有高多糖含量的木材對(duì)于開發(fā)具有規(guī)則形態(tài)的碳材料是有利的。木質(zhì)素是一種非均質(zhì)非晶態(tài)聚合物,占木材細(xì)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(shí),木質(zhì)素具有有趣的自締合和熒光發(fā)射特性,這促進(jìn)了其作為自組裝發(fā)光納米材料的功能。此外,多糖和木質(zhì)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(jìn)行化學(xué)修飾。木材的這些固有優(yōu)勢(shì)使其作為制造**碳和發(fā)光材料的原材料,盡管在木材衍生的**碳和發(fā)光材料的開發(fā)方面已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,但對(duì)該研究領(lǐng)域的系統(tǒng)評(píng)估很少。近日,東北林業(yè)大學(xué)劉守新教授和李堅(jiān)院士(通訊作者)提供了有關(guān)該領(lǐng)域進(jìn)展的重要摘要。介紹了木材衍生碳材料和發(fā)光材料的**制備策略,性能和應(yīng)用。重點(diǎn)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(jī)理和形貌調(diào)整。同時(shí)詳細(xì)討論了這些材料的制備策略和結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系。然后介紹了包括熒光碳點(diǎn)(CD),抗聚集淬滅(ACQ)的材料(抗ACQ材料)和圓偏振發(fā)光(CPL)材料等木材衍生的發(fā)光材料,包括它們的制造原理、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。這些木材衍生的碳和發(fā)光材料的應(yīng)用包括吸附,生物成像,化學(xué)傳感,太陽能蒸汽和電子設(shè)備。討論了木質(zhì)**材料的挑戰(zhàn)和未來展望。相關(guān)研究成果以“Wood-Derived Carbon Materials and Light-Emitting Materials”為題發(fā)表在Adv. Mater.上。圖一、由木材衍生材料制備碳和發(fā)光材料的示意圖
圖二、通過碳化轉(zhuǎn)化為碳球(CSs)
(a)通過水熱轉(zhuǎn)化(HTC)將纖維素轉(zhuǎn)化為富呋喃芳族網(wǎng)絡(luò);(b)纖維素衍生的碳微球復(fù)合材料的形成過程;(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(kuò)散性較差,鋰離子傳輸路徑較長的傳統(tǒng)電極以及具有垂直通道以縮短鋰離子傳輸路徑的木質(zhì)電極,和超厚LiCoO2正極截面SEM圖像;(d)高度壓縮的WCS的設(shè)計(jì)和制造過程的說明圖;(e)合成柔性和導(dǎo)電的碳/硅氧烷復(fù)合材料的途徑。圖五、碳?xì)饽z
(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?xì)饽z的超壓縮和彈性機(jī)理的數(shù)碼照片和示意圖;(d)CNT/rGO–CNF壓縮和恢復(fù)的數(shù)碼照片。 圖六、由木材衍生制備的熒光碳點(diǎn)
(a)通過水熱碳化制備木質(zhì)素基碳點(diǎn)(CDs)的示意圖;(b)通過分子聚集及其發(fā)射的熒光圖像制備木質(zhì)素基CDs;(c)纖維素衍生物基CDs的制備及其發(fā)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(fā)射。圖七、纖維素/木質(zhì)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。圖八、纖維素分解酶木質(zhì)素的AIE熒光
(c)在紫外線下聚集誘導(dǎo)的纖維素衍生物的發(fā)射。圖九、纖維素基CPL材料
(a)含有芘基團(tuán)的纖維素基CPL材料;(b)蒸發(fā)誘導(dǎo)的CNC衍生CDs協(xié)同組裝示意圖;(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(zhuǎn)換CPL的插圖;(d)可調(diào)UC-CPL發(fā)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;(c)由納米纖維素制成的碳?xì)饽z吸收了庚烷;(d)纖維素衍生的磁性碳吸附劑去除Cr(VI)的機(jī)理;(e)木質(zhì)素衍生的碳吸附劑的SEM圖像。圖十一、微波吸收
(a)用于電磁吸收應(yīng)用的源自生物質(zhì)的多孔碳的示意圖,顯示了多孔碳的制造過程;(b)多孔生物質(zhì)熱解碳材料(I–VI)的圖像。 圖十二、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換
(a-d)依次為活性炭纖維基超級(jí)電容器,含CNT的碳化木基高性能超級(jí)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(jí)電容器,具有超高電容。圖十三、太陽能蒸汽發(fā)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
(a)CND/TiO2在可見光照射下的催化機(jī)理;(b)顯示了CW-CNT@NC-NiFe電極的開放和低曲折結(jié)構(gòu);(c)在N‐C‐NiFe納米粒子上發(fā)生氫釋放反應(yīng)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(chǎng)圖像(左上方)和熒光圖像(左下方);(b)AW 264.7巨噬細(xì)胞的共聚焦熒光顯微鏡圖像;(c)CNF/CD氣凝膠的明場(chǎng)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(zhì)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(yōu)勢(shì),可能夠帶來潛在的轉(zhuǎn)換性能。由于具有這些固有的優(yōu)勢(shì),源自木材的碳材料和發(fā)光材料正成為應(yīng)對(duì)一系列技術(shù)挑戰(zhàn)的有吸引力的解決方案。盡管在這些領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步,但是目前仍然存在一些挑戰(zhàn),限制了**的木材衍生碳材料和發(fā)光材料的實(shí)際使用,特別是在能源和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新興應(yīng)用中。木材衍生的碳材料面臨的這些挑戰(zhàn)包括:對(duì)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(duì)性地轉(zhuǎn)化為規(guī)則形態(tài)的碳材料的策略。此外,理想的是,將來開發(fā)一種簡(jiǎn)便的方法來動(dòng)態(tài)調(diào)整木材衍生碳材料從纖維,球形到泡沫的形態(tài)。木質(zhì)發(fā)光材料面臨的挑戰(zhàn)包括需要將木質(zhì)發(fā)光材料的發(fā)射波長紅移到近紅外光學(xué)窗口。較長的光學(xué)窗口使其能夠穿透深層組織,從而促進(jìn)了它們?cè)隗w外和體內(nèi)作為生物成像和**試劑的應(yīng)用。還需要開發(fā)更具可持續(xù)性的具有刺激響應(yīng)性可調(diào)特性的抗ACQ熒光材料和CPL材料。將來,可能會(huì)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(xù)固體排放材料。對(duì)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(yīng)性分子/聚合物)組裝在纖維素手性薄膜中,以生產(chǎn)對(duì)外部刺激具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(chǎn)的。因此,有必要設(shè)計(jì)一種低成本,綠色的方法來分離纖維素,半纖維素,木質(zhì)細(xì)胞壁中的木質(zhì)素。作者相信,**范圍內(nèi)的共同努力將克服這些挑戰(zhàn),并促進(jìn)木材衍生的碳和發(fā)光材料的進(jìn)一步發(fā)展,這將大大改善日常生活。