107612/31
人類社會發(fā)展需要可持續(xù)和可再生資源。生物質(zhì)是一種富含碳素的可再生資源，將其轉(zhuǎn)化為碳材料，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的固體形式的碳儲存，對于實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。
由于生物質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的多樣性和組成的復(fù)雜性，生物質(zhì)碳材料的合成、定向重組和功能化，以及大規(guī)模應(yīng)用面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機遇，如何實現(xiàn)生物質(zhì)碳材料的可控制備和規(guī)模化生產(chǎn)是我們需要思考的問題。
基于此，華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院彭新文教授及其團隊，利用生物質(zhì)木質(zhì)纖維大分子特性、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、界面相互作用、材料本征結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控、界面工程、微觀缺陷調(diào)控、異質(zhì)摻雜等方法，構(gòu)建了一系列新型生物質(zhì)功能碳材料，比如柔性碳、體相催化碳、單原子木質(zhì)碳材料等，并對它們的性能實現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控與應(yīng)用。
圖 | 彭新文（來源：彭新文）
在研究過程中課題組遇到的首要難題是，生物質(zhì)碳具有本征脆性，傳統(tǒng)的制備方法難以獲得良好柔性的塊體碳。
大自然界具有各種各樣特殊的柔性結(jié)構(gòu)，比如人體足弓的拱形結(jié)構(gòu)，可以很好地承受身體帶來的壓力并實現(xiàn)應(yīng)力的有效傳遞，這讓他們產(chǎn)生了通過設(shè)計波浪形層狀結(jié)構(gòu)制備可壓縮、彈性碳材料的想法。
具體來說，其采用簡單的冰晶冷凍導(dǎo)向的方法，利用片狀納米材料誘導(dǎo)納米纖維素產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)，并通過納米纖維素的納米焊接作用，制備了一種生物質(zhì)碳氣凝膠。
獲得首例兼具高壓縮、超回彈和彎曲性能的生物質(zhì)碳氣凝膠
該碳氣凝膠在 99% 極限形變下可完全回彈，對形變、壓力檢測極限是目前報道最低的。
此外，該團隊還進一步提出通過生物質(zhì)大分子界面相互作用、金屬離子配位作用等相互作用，減少碳氣凝膠層狀結(jié)構(gòu)的缺陷，進而提高碳氣凝膠的力學(xué)性能及靈敏度，實現(xiàn)了此類碳氣凝膠在可穿戴傳感器中應(yīng)用。
這一系列研究為生物質(zhì)柔性碳材料的設(shè)計與應(yīng)用提供了理論與技術(shù)指導(dǎo)，對柔性碳材料的發(fā)展具有重要的意義。
如前所述，課題組在生物質(zhì)柔性碳材料的研究中已經(jīng)取得了較多突破。但是，除了柔性傳感器件，碳氣凝膠在能源存儲與催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，有著更廣闊的發(fā)展前景。
因此，如何在保證碳氣凝膠力學(xué)性能的前提下，進一步實現(xiàn)其功能化是其研究的又一突破點。
基于此前在碳氣凝膠結(jié)構(gòu)調(diào)控方面的深厚積累，他們引入能起到結(jié)構(gòu)調(diào)控和活性位點自摻雜的小分子物質(zhì)（比如 N、S、P 等元素及路易斯酸等），制備了具有可控雜原子、金屬活性位點摻雜的一系列納米纖維素柔性碳氣凝膠電極材料。
此類碳氣凝膠不僅具有良好的彈性，且表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化還原反應(yīng)/水氧化電催化活性，可直接作為空氣陰極用于鋅空電池，解決了傳統(tǒng)粉體碳催化劑需要使用粘結(jié)劑和集流體的問題。
作為體相電極所組裝的鋅空電池不僅具有高的比容量、功率密度和倍率性，且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性。這些研究成果無疑將為生物質(zhì)的高值化利用和高效雙功能空氣陰極的設(shè)計提供新的策略。
利用農(nóng)林生物質(zhì)，構(gòu)建一系列碳基體相催化材料
不同于通過生物質(zhì)解聚后重構(gòu)獲得的柔性碳氣凝膠，該團隊還提出一種“自上而下”的策略，利用農(nóng)林生物的天然孔道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機械強度，構(gòu)建了一系列自支撐體相電催化劑，并將其用于電催化、生物質(zhì)氧化、有機合成等領(lǐng)域。
通過選擇性酶解、路易斯酸水解、水熱等方式，對木材、竹子、秸稈等進行前處理，可有效提高木材的孔隙率、促進氮摻雜和協(xié)同單原子錨定，進而獲得具有分級多孔結(jié)構(gòu)和豐富催化活性位點的生物質(zhì)基碳材料。
同時，他們也深入研究不同的處理方法，對于生物質(zhì)基碳材料的微觀結(jié)構(gòu)、元素組成和結(jié)合態(tài)等理化結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并進一步結(jié)合理論計算，探究了催化劑活性位點和相關(guān)反應(yīng)機制，闡明了理化結(jié)構(gòu)和電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為構(gòu)建低成本、高活性的體相催化劑材料提供了新的思路和方向。
為木質(zhì)素的高值化利用提供新方向
除了上述“剛?cè)岵钡捏w相碳材料，課題組在傳統(tǒng)制漿造紙領(lǐng)域相關(guān)的碳材料發(fā)展上也有一定的探索。
基于制漿造紙技術(shù)平臺，其致力于生物質(zhì)功能材料與制漿造紙廢棄物高值轉(zhuǎn)化研究，重點圍繞生物質(zhì)碳材料及其在催化、新能源電池關(guān)鍵材料、傳感與柔性可穿戴器件等領(lǐng)域。
最近幾年，課題組在木質(zhì)纖維素的光、電、熱高度選擇性轉(zhuǎn)化等方面開展了一系列研究工作。
例如，木質(zhì)素作為造紙廢棄物，每年產(chǎn)量可達 7000 萬噸，其中只有約 10% 得到有效利用，其余大部分工業(yè)木質(zhì)素被作為工業(yè)廢棄物直接排放或者作為低值燃料進行燃燒，造成資源浪費的同時還產(chǎn)生新的環(huán)境污染問題。
針對此問題，該團隊以制漿過程中產(chǎn)生的危害性黑液——即木質(zhì)素類作為原料，通過木質(zhì)素磺酸鹽與金屬之間的強配位作用，提出一種普適性的、低成本、大規(guī)模制備金屬單原子催化劑的方法，為木質(zhì)素高值化利用提供了新的方向。
此外，他們還結(jié)合成熟的造紙工藝，將生物質(zhì)碳與紙漿纖維、商用隔膜等復(fù)合構(gòu)建了生物質(zhì)多功能碳膜/紙，用于鈉硫電池、鈉離子電池等領(lǐng)域。
“我們堅信在不遠的將來，可再生、價格低廉的生物質(zhì)碳基材將進一步發(fā)光發(fā)熱，并最終走向工業(yè)化應(yīng)用?！迸硇挛谋硎尽?/p>
在生物質(zhì)碳材料方面的研究，該團隊已有多年積累，開發(fā)了多種柔性功能材料。
例如，其以納米纖維素為骨架制備的碳氣凝膠，并將其應(yīng)用在鋅空氣電池的工作，因其優(yōu)異的電催化活性、循環(huán)穩(wěn)定性和高能量效率獲得了較多關(guān)注，這是生物質(zhì)高值化利用和纖維素衍生材料功能化的出色進展，相關(guān)論文已發(fā)表于 Advanced Materials。
同行專家點評稱：“這種材料具有 3D 垂直、管壁孔道互通的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有利于氣體擴散、電解液浸潤，而且有良好的柔性和優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能。
未來這項工作有望為柔性電子器件提供高性能電極材料，且為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳材料、電化學(xué)儲能應(yīng)用提供新方法?！?/p>
通過“自上而下”的構(gòu)建方法，規(guī)?；恐苽淠举|(zhì)纖維生物質(zhì)碳基新材料
利用生物質(zhì)木質(zhì)天然孔隙結(jié)構(gòu)，通過“自上而下”構(gòu)建方法，該團隊還開發(fā)了一系列木材體相碳材料。
例如，他們利用生物質(zhì)的酶水解擴大天然孔隙的方法，構(gòu)建了分級多孔的“透氣”碳板，成本低且簡單有效，當(dāng)應(yīng)用在金屬空氣電池中，可以克服從生物質(zhì)制造多孔碳電極的低能效問題，所得碳在氧還原和析氧反應(yīng)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。
碳化木板具有機械強度高、高導(dǎo)電性等特點，并包含交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和天然離子傳輸通道，可直接用作無金屬電極，無需復(fù)寫紙、聚合物粘合劑或炭黑。
這種非模板化方法非常有效、且是可擴展的，并且適合將低成本生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為、適用于許多能源相關(guān)應(yīng)用的高價值產(chǎn)品。
歐盟科學(xué)院院士&佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院教授劉美林評價稱：“與傳統(tǒng)電極材料相比，木基電極具有獨特的優(yōu)勢，如分層多孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的機械性能，高的電導(dǎo)性及實現(xiàn)高活性材料負載量的潛力?！?/p>
在新能源器件和催化領(lǐng)域，探索生物質(zhì)碳材料的應(yīng)用
推進“雙碳”戰(zhàn)略是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，其中能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型將是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。
自 2014 年以來，彭新文團隊便開展了生物質(zhì)碳材料在新能源器件與催化中的應(yīng)用研究。
他們著眼于可再生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)原料，將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)碳材料，目標(biāo)是解決木質(zhì)纖維生物質(zhì)碳材料存在的挑戰(zhàn)，如形式單一、難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用、性能較差、功能缺乏、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題。
第一步是探索階段，針對農(nóng)林生物質(zhì)的特點，通過大量的實驗，課題組提出了兩種新的彈性結(jié)構(gòu)，以用于生物質(zhì)柔性碳材料的構(gòu)建、及其在柔性傳感和儲能器件的應(yīng)用，分別是納米纖維素基的波浪片層結(jié)構(gòu)和木材仿生的管胞型結(jié)構(gòu)碳氣凝膠材料。
所制備的碳氣凝膠材料，可用于柔性壓力傳感器，當(dāng)搭載于可穿戴設(shè)備的電子器件上，能夠靈敏地監(jiān)測生物信號。研究進行到這里，也意味著該團隊在生物質(zhì)基碳氣凝膠的制備和應(yīng)用上取得了初步成效。
第二步是發(fā)展階段，在生物質(zhì)柔性碳方面，他們發(fā)展了雜原子、金屬單原子等活性位點摻雜，賦予體相柔性碳以催化活性，可作為雙功能催化劑耦合有機反應(yīng)催化系統(tǒng)的電極關(guān)鍵材料。
第三步是拓展階段，基于在生物質(zhì)碳材料的多年經(jīng)驗，他們不僅利用造紙相關(guān)材料制備生物質(zhì)碳材料，還把生物質(zhì)碳材料在各種電池體系和催化體系中進行拓展，比如將制漿黑液中木質(zhì)素磺酸鹽合成為納米碳基催化劑，實現(xiàn)綠色規(guī)?；圃觳⒂糜阝c電負極。
以及設(shè)計并構(gòu)建了一種輕質(zhì)多孔的納米纖維素基碳氣凝膠，其可作為多功能隔膜用于室溫鈉硫電池。
基于成本低、環(huán)境友好等特點，由生物質(zhì)碳材料制成的電池可以在柔性電子器件中綻放異彩，融入日常生活中的各種細節(jié)。未來，可更換的、質(zhì)優(yōu)價廉的生物質(zhì)碳材料制成的電極，最終會走向工業(yè)化應(yīng)用。
在傳感、儲能、催化、環(huán)境等領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力
該團隊構(gòu)建具有豐富分級孔結(jié)構(gòu)的剛性、柔性體相碳材料，并可將其應(yīng)用到氣體、金屬離子吸附、礦山廢水脫毒等環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，以及燃料電池、可再充金屬-空氣電池或液流電池的電極上。
在電解水、電催化、生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化及藥物合成等領(lǐng)域，同樣可以充當(dāng)效果良好、且前景可觀的電極材料、催化材料。
對于其他形態(tài)生物質(zhì)碳材料的應(yīng)用，該團隊也做了大量的研究和探索。未來若干年內(nèi)，生物質(zhì)基粉體碳材料的規(guī)模化應(yīng)用應(yīng)該主要集中在土壤修復(fù)、氣體吸附、污水凈化、智慧農(nóng)業(yè)以及傳統(tǒng)催化劑等領(lǐng)域。
彭新文表示，“我們之前的研究更多是聚焦在生物質(zhì)碳材料在環(huán)境修復(fù)、金屬-空氣電池、金屬離子/硫電池、超級電容器、和柔性傳感等電化學(xué)能源器件應(yīng)用領(lǐng)域中的電極材料的設(shè)計和制備方面，所涉及到的能源器件或者催化反應(yīng)往往是更傾向于半電池或者半反應(yīng)的研究工作?！?/p>
后期，其也會進一步加強生物質(zhì)碳材料在全電池和催化全反應(yīng)等方面的綜合應(yīng)用，特別是在金屬離子電池和金屬-空氣電池等能源器件的應(yīng)用領(lǐng)域，還需要更深層次的研究。
“目前除了電極材料之外，我們也已經(jīng)在生物質(zhì)基電池隔膜材料、凝膠電解質(zhì)材料等方面做了相應(yīng)的工作并取得了一定的研究成果。”她說。
彭新文說她的團隊始終將以綠色、低碳和木質(zhì)纖維生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化利用為目標(biāo)，從農(nóng)林廢棄物、制漿造紙廢棄物和全竹資源出發(fā)，設(shè)計并開發(fā)普適性、規(guī)?；木G色生物質(zhì)碳材料制備策略，聚焦碳布、碳氈、電池隔膜、硬碳電極等“卡脖子“材料，對接行業(yè)重大需求。
她繼續(xù)說道：“我們將致力于簡化工藝流程、降低能耗、減少污染，以可再生竹、林、農(nóng)等生物質(zhì)資源取代傳統(tǒng)化石資源來制造電化學(xué)儲能器件的關(guān)鍵材料?！?/p>
同時，將生物質(zhì)的其它剩余部分應(yīng)用于催化生物質(zhì)高值轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，例如該團隊一直提倡“全竹綜合利用、吃干榨盡”的研究思路，在該思路之下，可以研究竹資源的氧化、制醇釀酒、竹黃酮的提取等反應(yīng)，從而來合成綠色化學(xué)品、綠色肥料、健康食品等。
同時，該團隊立足于輕工學(xué)科，結(jié)合傳統(tǒng)的造紙技術(shù)、印刷技術(shù)，發(fā)展快速、低能耗、高容量、低成本的紙基新材料。
紙基電極關(guān)鍵材料獲得快速發(fā)展的原因在于，它具備低成本、可設(shè)計、可生物降解、易于規(guī)?；苽洹⒓敖Y(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。但是，當(dāng)前的制備方法普遍存在著過程繁瑣、多次高溫，且使用大量有機溶劑、不夠環(huán)保等問題。
例如，無論是納米制備技術(shù)、還是氣相沉積技術(shù)，都是基于物理-化學(xué)作用，將導(dǎo)電材料固定在導(dǎo)電基底上，存在界面結(jié)合力不強、導(dǎo)電性能有限、成本高等劣勢，進一步地這會限制電極的吸附性能、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和結(jié)果重現(xiàn)性。
而木質(zhì)纖維生物質(zhì)具有高比表面積和強吸附能力，且廉價易得、生物相容性高、環(huán)境友好，是電化學(xué)儲能與傳感器件的理想原料。
由木質(zhì)纖維制備的紙電極，其高比表面積、高導(dǎo)電性、高比容量和高穩(wěn)定性，是實現(xiàn)儲能、電吸附、傳感功能的前提。
因此，他們在后續(xù)研究中將會充分結(jié)合造紙技術(shù)、印刷技術(shù)與增材制造技術(shù)來制備紙基電極，發(fā)展規(guī)?；?、低成本、多功能的電極制備技術(shù)。
同時，結(jié)合同步光源等表征分析技術(shù)和理論模擬計算，來進一步研究生物質(zhì)分級多孔材料的形成規(guī)律與催化性能之間的關(guān)系，為其定向合成提供理論指導(dǎo)。
其還打算建立生物質(zhì)碳材料組份、結(jié)構(gòu)和催化性能之間的定量關(guān)系模型，并將其用于指導(dǎo)新材料的設(shè)計，最終來提高目標(biāo)結(jié)構(gòu)和催化活性位點定向合成的預(yù)測性、可行性、準(zhǔn)確性和高效性。
多年的積累，也讓課題組收獲頗豐。彭新文說：“我們團隊在國際頂級期刊發(fā)表 SCI論文 200 余篇，申請國家發(fā)明專利 80 件，已授權(quán)國家發(fā)明專利 35 件，部分技術(shù)正在進行合作產(chǎn)業(yè)化。”
科學(xué)貌似很深邃，卻總是源于生活
彭新文認為，科學(xué)貌似很深邃，卻又總是源于生活，有趣的想法有時就是從對生活的觀察與思考中產(chǎn)生的。
不同于石墨烯、碳納米管等碳材料自身結(jié)構(gòu)的特殊性，生物質(zhì)大分子在構(gòu)建柔性碳方面存在一定難度，他們一開始做生物質(zhì)柔性碳材料的時候并非一帆風(fēng)順，利用水熱自組裝、溶膠-凝膠方法構(gòu)建的材料總?cè)菀装l(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌的現(xiàn)象。
因此，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)觀察，該團隊認為無序的微觀結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)破壞。
在思考“構(gòu)建什么樣的有序結(jié)構(gòu)才可以更好的承受壓力”時，他們被“人體足弓的拱形結(jié)構(gòu)”所觸動，考慮有序的拱形結(jié)構(gòu)是否就可以承受更大的應(yīng)力。
朝著這個方向，課題組才找到了一種導(dǎo)向冷凍的方法，并通過調(diào)控結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用，制備出了性能優(yōu)異的生物質(zhì)碳氣凝膠。
“而對于生物質(zhì)體相碳材料的探索，也是從某次校園內(nèi)園林工人修剪枝葉開始的，感慨于這些被丟棄路邊的桉木樹干，開發(fā)利用這些廢棄的生物質(zhì)資源正是我們領(lǐng)域該研究的方向，所以我和學(xué)生們從路邊撿回來了許多桉木、竹子，自此開始了‘朽木可雕’的研究?！迸硇挛恼f。
而在當(dāng)前，生物質(zhì)碳材料在能源器件與催化領(lǐng)域的應(yīng)用，仍然存在諸多挑戰(zhàn)。想要達到生物質(zhì)碳材料的廉價、規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)生物質(zhì)材料的高值轉(zhuǎn)化利用，并進一步滿足市場提出的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求，依舊是任重道遠。
“這需要我們相關(guān)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人員繼續(xù)努力，以便早日實現(xiàn)以木質(zhì)纖維生物質(zhì)材料部分代替石油化工、煤化工材料的工業(yè)化應(yīng)用?！迸硇挛谋硎?。
對于未來，她說：“希望可以更快、更好地以可再生生物質(zhì)碳資源來替代更多的石油化工、煤化工產(chǎn)品，爭取早日推動生物質(zhì)經(jīng)濟戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向朝著綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式快速轉(zhuǎn)型?！?/p>
由于生物質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的多樣性和組成的復(fù)雜性，生物質(zhì)碳材料的合成、定向重組和功能化，以及大規(guī)模應(yīng)用面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機遇，如何實現(xiàn)生物質(zhì)碳材料的可控制備和規(guī)模化生產(chǎn)是我們需要思考的問題。
基于此，華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院彭新文教授及其團隊，利用生物質(zhì)木質(zhì)纖維大分子特性、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、界面相互作用、材料本征結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控、界面工程、微觀缺陷調(diào)控、異質(zhì)摻雜等方法，構(gòu)建了一系列新型生物質(zhì)功能碳材料，比如柔性碳、體相催化碳、單原子木質(zhì)碳材料等，并對它們的性能實現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)控與應(yīng)用。
在研究過程中課題組遇到的首要難題是，生物質(zhì)碳具有本征脆性，傳統(tǒng)的制備方法難以獲得良好柔性的塊體碳。
大自然界具有各種各樣特殊的柔性結(jié)構(gòu)，比如人體足弓的拱形結(jié)構(gòu)，可以很好地承受身體帶來的壓力并實現(xiàn)應(yīng)力的有效傳遞，這讓他們產(chǎn)生了通過設(shè)計波浪形層狀結(jié)構(gòu)制備可壓縮、彈性碳材料的想法。
具體來說，其采用簡單的冰晶冷凍導(dǎo)向的方法，利用片狀納米材料誘導(dǎo)納米纖維素產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)，并通過納米纖維素的納米焊接作用，制備了一種生物質(zhì)碳氣凝膠。
該碳氣凝膠在 99% 極限形變下可完全回彈，對形變、壓力檢測極限是目前報道最低的。
此外，該團隊還進一步提出通過生物質(zhì)大分子界面相互作用、金屬離子配位作用等相互作用，減少碳氣凝膠層狀結(jié)構(gòu)的缺陷，進而提高碳氣凝膠的力學(xué)性能及靈敏度，實現(xiàn)了此類碳氣凝膠在可穿戴傳感器中應(yīng)用。
這一系列研究為生物質(zhì)柔性碳材料的設(shè)計與應(yīng)用提供了理論與技術(shù)指導(dǎo)，對柔性碳材料的發(fā)展具有重要的意義。
如前所述，課題組在生物質(zhì)柔性碳材料的研究中已經(jīng)取得了較多突破。但是，除了柔性傳感器件，碳氣凝膠在能源存儲與催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，有著更廣闊的發(fā)展前景。
因此，如何在保證碳氣凝膠力學(xué)性能的前提下，進一步實現(xiàn)其功能化是其研究的又一突破點。
基于此前在碳氣凝膠結(jié)構(gòu)調(diào)控方面的深厚積累，他們引入能起到結(jié)構(gòu)調(diào)控和活性位點自摻雜的小分子物質(zhì)（比如 N、S、P 等元素及路易斯酸等），制備了具有可控雜原子、金屬活性位點摻雜的一系列納米纖維素柔性碳氣凝膠電極材料。
此類碳氣凝膠不僅具有良好的彈性，且表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化還原反應(yīng)/水氧化電催化活性，可直接作為空氣陰極用于鋅空電池，解決了傳統(tǒng)粉體碳催化劑需要使用粘結(jié)劑和集流體的問題。
作為體相電極所組裝的鋅空電池不僅具有高的比容量、功率密度和倍率性，且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性。這些研究成果無疑將為生物質(zhì)的高值化利用和高效雙功能空氣陰極的設(shè)計提供新的策略。
不同于通過生物質(zhì)解聚后重構(gòu)獲得的柔性碳氣凝膠，該團隊還提出一種“自上而下”的策略，利用農(nóng)林生物的天然孔道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機械強度，構(gòu)建了一系列自支撐體相電催化劑，并將其用于電催化、生物質(zhì)氧化、有機合成等領(lǐng)域。
通過選擇性酶解、路易斯酸水解、水熱等方式，對木材、竹子、秸稈等進行前處理，可有效提高木材的孔隙率、促進氮摻雜和協(xié)同單原子錨定，進而獲得具有分級多孔結(jié)構(gòu)和豐富催化活性位點的生物質(zhì)基碳材料。
同時，他們也深入研究不同的處理方法，對于生物質(zhì)基碳材料的微觀結(jié)構(gòu)、元素組成和結(jié)合態(tài)等理化結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并進一步結(jié)合理論計算，探究了催化劑活性位點和相關(guān)反應(yīng)機制，闡明了理化結(jié)構(gòu)和電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為構(gòu)建低成本、高活性的體相催化劑材料提供了新的思路和方向。
除了上述“剛?cè)岵钡捏w相碳材料，課題組在傳統(tǒng)制漿造紙領(lǐng)域相關(guān)的碳材料發(fā)展上也有一定的探索。
基于制漿造紙技術(shù)平臺，其致力于生物質(zhì)功能材料與制漿造紙廢棄物高值轉(zhuǎn)化研究，重點圍繞生物質(zhì)碳材料及其在催化、新能源電池關(guān)鍵材料、傳感與柔性可穿戴器件等領(lǐng)域。
最近幾年，課題組在木質(zhì)纖維素的光、電、熱高度選擇性轉(zhuǎn)化等方面開展了一系列研究工作。
例如，木質(zhì)素作為造紙廢棄物，每年產(chǎn)量可達 7000 萬噸，其中只有約 10% 得到有效利用，其余大部分工業(yè)木質(zhì)素被作為工業(yè)廢棄物直接排放或者作為低值燃料進行燃燒，造成資源浪費的同時還產(chǎn)生新的環(huán)境污染問題。
針對此問題，該團隊以制漿過程中產(chǎn)生的危害性黑液——即木質(zhì)素類作為原料，通過木質(zhì)素磺酸鹽與金屬之間的強配位作用，提出一種普適性的、低成本、大規(guī)模制備金屬單原子催化劑的方法，為木質(zhì)素高值化利用提供了新的方向。
此外，他們還結(jié)合成熟的造紙工藝，將生物質(zhì)碳與紙漿纖維、商用隔膜等復(fù)合構(gòu)建了生物質(zhì)多功能碳膜/紙，用于鈉硫電池、鈉離子電池等領(lǐng)域。
“我們堅信在不遠的將來，可再生、價格低廉的生物質(zhì)碳基材將進一步發(fā)光發(fā)熱，并最終走向工業(yè)化應(yīng)用?！迸硇挛谋硎尽?/p>
在生物質(zhì)碳材料方面的研究，該團隊已有多年積累，開發(fā)了多種柔性功能材料。
例如，其以納米纖維素為骨架制備的碳氣凝膠，并將其應(yīng)用在鋅空氣電池的工作，因其優(yōu)異的電催化活性、循環(huán)穩(wěn)定性和高能量效率獲得了較多關(guān)注，這是生物質(zhì)高值化利用和纖維素衍生材料功能化的出色進展，相關(guān)論文已發(fā)表于 Advanced Materials。
同行專家點評稱：“這種材料具有 3D 垂直、管壁孔道互通的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有利于氣體擴散、電解液浸潤，而且有良好的柔性和優(yōu)異的電化學(xué)儲能性能。
未來這項工作有望為柔性電子器件提供高性能電極材料，且為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳材料、電化學(xué)儲能應(yīng)用提供新方法?！?/p>
利用生物質(zhì)木質(zhì)天然孔隙結(jié)構(gòu)，通過“自上而下”構(gòu)建方法，該團隊還開發(fā)了一系列木材體相碳材料。
例如，他們利用生物質(zhì)的酶水解擴大天然孔隙的方法，構(gòu)建了分級多孔的“透氣”碳板，成本低且簡單有效，當(dāng)應(yīng)用在金屬空氣電池中，可以克服從生物質(zhì)制造多孔碳電極的低能效問題，所得碳在氧還原和析氧反應(yīng)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。
碳化木板具有機械強度高、高導(dǎo)電性等特點，并包含交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和天然離子傳輸通道，可直接用作無金屬電極，無需復(fù)寫紙、聚合物粘合劑或炭黑。
這種非模板化方法非常有效、且是可擴展的，并且適合將低成本生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為、適用于許多能源相關(guān)應(yīng)用的高價值產(chǎn)品。
歐盟科學(xué)院院士&佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院教授劉美林評價稱：“與傳統(tǒng)電極材料相比，木基電極具有獨特的優(yōu)勢，如分層多孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的機械性能，高的電導(dǎo)性及實現(xiàn)高活性材料負載量的潛力?！?/p>
推進“雙碳”戰(zhàn)略是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，其中能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型將是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。
自 2014 年以來，彭新文團隊便開展了生物質(zhì)碳材料在新能源器件與催化中的應(yīng)用研究。
他們著眼于可再生的木質(zhì)纖維生物質(zhì)原料，將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)碳材料，目標(biāo)是解決木質(zhì)纖維生物質(zhì)碳材料存在的挑戰(zhàn)，如形式單一、難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用、性能較差、功能缺乏、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題。
第一步是探索階段，針對農(nóng)林生物質(zhì)的特點，通過大量的實驗，課題組提出了兩種新的彈性結(jié)構(gòu)，以用于生物質(zhì)柔性碳材料的構(gòu)建、及其在柔性傳感和儲能器件的應(yīng)用，分別是納米纖維素基的波浪片層結(jié)構(gòu)和木材仿生的管胞型結(jié)構(gòu)碳氣凝膠材料。
所制備的碳氣凝膠材料，可用于柔性壓力傳感器，當(dāng)搭載于可穿戴設(shè)備的電子器件上，能夠靈敏地監(jiān)測生物信號。研究進行到這里，也意味著該團隊在生物質(zhì)基碳氣凝膠的制備和應(yīng)用上取得了初步成效。
第二步是發(fā)展階段，在生物質(zhì)柔性碳方面，他們發(fā)展了雜原子、金屬單原子等活性位點摻雜，賦予體相柔性碳以催化活性，可作為雙功能催化劑耦合有機反應(yīng)催化系統(tǒng)的電極關(guān)鍵材料。
第三步是拓展階段，基于在生物質(zhì)碳材料的多年經(jīng)驗，他們不僅利用造紙相關(guān)材料制備生物質(zhì)碳材料，還把生物質(zhì)碳材料在各種電池體系和催化體系中進行拓展，比如將制漿黑液中木質(zhì)素磺酸鹽合成為納米碳基催化劑，實現(xiàn)綠色規(guī)?；圃觳⒂糜阝c電負極。
以及設(shè)計并構(gòu)建了一種輕質(zhì)多孔的納米纖維素基碳氣凝膠，其可作為多功能隔膜用于室溫鈉硫電池。
基于成本低、環(huán)境友好等特點，由生物質(zhì)碳材料制成的電池可以在柔性電子器件中綻放異彩，融入日常生活中的各種細節(jié)。未來，可更換的、質(zhì)優(yōu)價廉的生物質(zhì)碳材料制成的電極，最終會走向工業(yè)化應(yīng)用。
該團隊構(gòu)建具有豐富分級孔結(jié)構(gòu)的剛性、柔性體相碳材料，并可將其應(yīng)用到氣體、金屬離子吸附、礦山廢水脫毒等環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，以及燃料電池、可再充金屬-空氣電池或液流電池的電極上。
在電解水、電催化、生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化及藥物合成等領(lǐng)域，同樣可以充當(dāng)效果良好、且前景可觀的電極材料、催化材料。
對于其他形態(tài)生物質(zhì)碳材料的應(yīng)用，該團隊也做了大量的研究和探索。未來若干年內(nèi)，生物質(zhì)基粉體碳材料的規(guī)模化應(yīng)用應(yīng)該主要集中在土壤修復(fù)、氣體吸附、污水凈化、智慧農(nóng)業(yè)以及傳統(tǒng)催化劑等領(lǐng)域。
彭新文表示，“我們之前的研究更多是聚焦在生物質(zhì)碳材料在環(huán)境修復(fù)、金屬-空氣電池、金屬離子/硫電池、超級電容器、和柔性傳感等電化學(xué)能源器件應(yīng)用領(lǐng)域中的電極材料的設(shè)計和制備方面，所涉及到的能源器件或者催化反應(yīng)往往是更傾向于半電池或者半反應(yīng)的研究工作?！?/p>
后期，其也會進一步加強生物質(zhì)碳材料在全電池和催化全反應(yīng)等方面的綜合應(yīng)用，特別是在金屬離子電池和金屬-空氣電池等能源器件的應(yīng)用領(lǐng)域，還需要更深層次的研究。
“目前除了電極材料之外，我們也已經(jīng)在生物質(zhì)基電池隔膜材料、凝膠電解質(zhì)材料等方面做了相應(yīng)的工作并取得了一定的研究成果。”她說。
彭新文說她的團隊始終將以綠色、低碳和木質(zhì)纖維生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化利用為目標(biāo)，從農(nóng)林廢棄物、制漿造紙廢棄物和全竹資源出發(fā)，設(shè)計并開發(fā)普適性、規(guī)?；木G色生物質(zhì)碳材料制備策略，聚焦碳布、碳氈、電池隔膜、硬碳電極等“卡脖子“材料，對接行業(yè)重大需求。
她繼續(xù)說道：“我們將致力于簡化工藝流程、降低能耗、減少污染，以可再生竹、林、農(nóng)等生物質(zhì)資源取代傳統(tǒng)化石資源來制造電化學(xué)儲能器件的關(guān)鍵材料?！?/p>
同時，將生物質(zhì)的其它剩余部分應(yīng)用于催化生物質(zhì)高值轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，例如該團隊一直提倡“全竹綜合利用、吃干榨盡”的研究思路，在該思路之下，可以研究竹資源的氧化、制醇釀酒、竹黃酮的提取等反應(yīng)，從而來合成綠色化學(xué)品、綠色肥料、健康食品等。
同時，該團隊立足于輕工學(xué)科，結(jié)合傳統(tǒng)的造紙技術(shù)、印刷技術(shù)，發(fā)展快速、低能耗、高容量、低成本的紙基新材料。
紙基電極關(guān)鍵材料獲得快速發(fā)展的原因在于，它具備低成本、可設(shè)計、可生物降解、易于規(guī)?；苽洹⒓敖Y(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。但是，當(dāng)前的制備方法普遍存在著過程繁瑣、多次高溫，且使用大量有機溶劑、不夠環(huán)保等問題。
例如，無論是納米制備技術(shù)、還是氣相沉積技術(shù)，都是基于物理-化學(xué)作用，將導(dǎo)電材料固定在導(dǎo)電基底上，存在界面結(jié)合力不強、導(dǎo)電性能有限、成本高等劣勢，進一步地這會限制電極的吸附性能、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和結(jié)果重現(xiàn)性。
而木質(zhì)纖維生物質(zhì)具有高比表面積和強吸附能力，且廉價易得、生物相容性高、環(huán)境友好，是電化學(xué)儲能與傳感器件的理想原料。
由木質(zhì)纖維制備的紙電極，其高比表面積、高導(dǎo)電性、高比容量和高穩(wěn)定性，是實現(xiàn)儲能、電吸附、傳感功能的前提。
因此，他們在后續(xù)研究中將會充分結(jié)合造紙技術(shù)、印刷技術(shù)與增材制造技術(shù)來制備紙基電極，發(fā)展規(guī)?；?、低成本、多功能的電極制備技術(shù)。
同時，結(jié)合同步光源等表征分析技術(shù)和理論模擬計算，來進一步研究生物質(zhì)分級多孔材料的形成規(guī)律與催化性能之間的關(guān)系，為其定向合成提供理論指導(dǎo)。
其還打算建立生物質(zhì)碳材料組份、結(jié)構(gòu)和催化性能之間的定量關(guān)系模型，并將其用于指導(dǎo)新材料的設(shè)計，最終來提高目標(biāo)結(jié)構(gòu)和催化活性位點定向合成的預(yù)測性、可行性、準(zhǔn)確性和高效性。
多年的積累，也讓課題組收獲頗豐。彭新文說：“我們團隊在國際頂級期刊發(fā)表 SCI論文 200 余篇，申請國家發(fā)明專利 80 件，已授權(quán)國家發(fā)明專利 35 件，部分技術(shù)正在進行合作產(chǎn)業(yè)化。”
彭新文認為，科學(xué)貌似很深邃，卻又總是源于生活，有趣的想法有時就是從對生活的觀察與思考中產(chǎn)生的。
不同于石墨烯、碳納米管等碳材料自身結(jié)構(gòu)的特殊性，生物質(zhì)大分子在構(gòu)建柔性碳方面存在一定難度，他們一開始做生物質(zhì)柔性碳材料的時候并非一帆風(fēng)順，利用水熱自組裝、溶膠-凝膠方法構(gòu)建的材料總?cè)菀装l(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌的現(xiàn)象。
因此，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)觀察，該團隊認為無序的微觀結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)破壞。
在思考“構(gòu)建什么樣的有序結(jié)構(gòu)才可以更好的承受壓力”時，他們被“人體足弓的拱形結(jié)構(gòu)”所觸動，考慮有序的拱形結(jié)構(gòu)是否就可以承受更大的應(yīng)力。
朝著這個方向，課題組才找到了一種導(dǎo)向冷凍的方法，并通過調(diào)控結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用，制備出了性能優(yōu)異的生物質(zhì)碳氣凝膠。
“而對于生物質(zhì)體相碳材料的探索，也是從某次校園內(nèi)園林工人修剪枝葉開始的，感慨于這些被丟棄路邊的桉木樹干，開發(fā)利用這些廢棄的生物質(zhì)資源正是我們領(lǐng)域該研究的方向，所以我和學(xué)生們從路邊撿回來了許多桉木、竹子，自此開始了‘朽木可雕’的研究?！迸硇挛恼f。
而在當(dāng)前，生物質(zhì)碳材料在能源器件與催化領(lǐng)域的應(yīng)用，仍然存在諸多挑戰(zhàn)。想要達到生物質(zhì)碳材料的廉價、規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)生物質(zhì)材料的高值轉(zhuǎn)化利用，并進一步滿足市場提出的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求，依舊是任重道遠。
“這需要我們相關(guān)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人員繼續(xù)努力，以便早日實現(xiàn)以木質(zhì)纖維生物質(zhì)材料部分代替石油化工、煤化工材料的工業(yè)化應(yīng)用?！迸硇挛谋硎?。
對于未來，她說：“希望可以更快、更好地以可再生生物質(zhì)碳資源來替代更多的石油化工、煤化工產(chǎn)品，爭取早日推動生物質(zhì)經(jīng)濟戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向朝著綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式快速轉(zhuǎn)型?！?/p>
