隨著人類對(duì)石油基材料及化學(xué)品需求的不斷增加,導(dǎo)致各種環(huán)境及能源危機(jī)問(wèn)題日益嚴(yán)重。當(dāng)前世界正從依賴化石能源的時(shí)代過(guò)渡到更多依靠可再生和可持續(xù)能源供應(yīng)的時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代的轉(zhuǎn)變中,樹(shù)木作為最豐富的可再生生物資源,將在我們未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,同時(shí)也引起了人們將其用于先進(jìn)材料和生產(chǎn)的廣泛關(guān)注。樹(shù)木包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組分,盡管已有大量的綜述性工作報(bào)道了木材基功能材料及器件的先進(jìn)應(yīng)用,但鮮有工作系統(tǒng)的總結(jié)樹(shù)的各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)、化學(xué)特性及其在能源、電子器件、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境等應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。
【成果簡(jiǎn)介】
鑒于在樹(shù)基功能材料領(lǐng)域的創(chuàng)新工作與積累,近日,Advanced Materials在線刊登了美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于樹(shù)基生物聚合物作為可持續(xù)多功能材料的研究進(jìn)展的總結(jié)。題目是“Biopolymers derived from trees as sustainablemultifunctional materials: a review”(DOI:10.1002/adma.202001654),劉超博士為論文的第一作者。文章首先系統(tǒng)的總結(jié)了樹(shù)木不同部位(樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)葉、花、種子以及根)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)特性和生物聚合物基功能材料的制備方法,尤其對(duì)生物聚合物基功能材料在能源、電子器件、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展做了著重介紹(圖1),最后對(duì)這些功能材料進(jìn)一步市場(chǎng)化所需解決的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向做了展望。
【研究?jī)?nèi)容】
1.樹(shù)干的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分及先進(jìn)應(yīng)用。
1.1受木材分級(jí)結(jié)構(gòu)啟發(fā)的功能材料及應(yīng)用
樹(shù)干作為人類使用樹(shù)木的最重要的部分,因其成本低廉,重量輕,具有高的強(qiáng)度、韌性,易加工性和耐用性,已經(jīng)被廣泛用于燃料、建筑、家具制造等領(lǐng)域(圖2)。木材固有的機(jī)械強(qiáng)度之所以能夠?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用,主要是由于其宏觀,微觀和分子結(jié)構(gòu)(包括具有不同微細(xì)纖維取向的S1-S2-S3層組成的細(xì)胞壁,氫鍵以及晶體結(jié)構(gòu)和分子間/分子內(nèi)的不同聯(lián)接鍵)。同時(shí),木材從分子到微觀細(xì)胞壁到宏觀纖維的這種獨(dú)特的分級(jí)結(jié)構(gòu)也啟發(fā)著人類探索更多關(guān)于木材的先進(jìn)功能材料及器件。木材固有的物理和化學(xué)特性(包括微觀層次的多孔結(jié)構(gòu)和定向排列的通道,各向異性的細(xì)胞壁原纖維和大量的氫鍵)為應(yīng)用提供了可能,同時(shí)這些特性也將被用于木材的進(jìn)一步功能化(圖3)。另外,作者也提出了在進(jìn)行這些研究時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題:(1)由于不同樹(shù)種的細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)存在顯著差異,甚至同一物種生長(zhǎng)在不同區(qū)域,其多孔結(jié)構(gòu)和通道也可能不同,因此,在木基功能材料和器件制備中,識(shí)別適合于特定應(yīng)用的具有不同微觀結(jié)構(gòu)的各種木材仍然是需要進(jìn)一步研究的課題。(2)在研究木材基的功能性工程材料時(shí),包括機(jī)理闡述的片面性、脫木質(zhì)素的均勻性仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。
1.2 木材的化學(xué)組分及其生物聚合物基新型功能材料及器件
木材的化學(xué)組分主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。文章在這一部分首先簡(jiǎn)要的講述了木材中的纖維素、半纖維素、和木質(zhì)素這三種生物聚合物的基本結(jié)構(gòu)、制備及提純方法。然后著重的介紹了近幾年來(lái)纖維素基、半纖維素基和木質(zhì)素基功能材料和器件的制備及其在能源、電子器件、環(huán)境及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用:
首先,得益于納米纖維素的獨(dú)特結(jié)構(gòu),使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、較低的熱膨脹系數(shù)、較高的增強(qiáng)潛力和透明度,是智能材料和產(chǎn)品理想的構(gòu)成元素。文章詳細(xì)總結(jié)了近期纖維素納米纖維(CNF)和纖維素納米晶(CNC)基的先進(jìn)功能材料,如一維(1D)纖維、二維(2D)薄膜和紙張、三維(3D)水凝膠和氣凝膠,這些材料是以納米纖維素為基礎(chǔ),通過(guò)自下而上的方法制備而成,如圖4~圖7。
接著,文章總結(jié)了半纖維素經(jīng)改性合成新型的半纖維素基衍生物的研究進(jìn)展,詳細(xì)闡述了其在生物醫(yī)學(xué)、包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用(圖8)。
然后,文章又概述了將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高附加值材料用于儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)和吸附的最新研究進(jìn)展,如圖9~圖10所示。
2.樹(shù)木的其他部位用于可持續(xù)多功能材料
現(xiàn)有大量的高質(zhì)量綜述性論文專注于總結(jié)木材基的先進(jìn)功能材料及器件。盡管近些年來(lái)也涌現(xiàn)出大量的關(guān)于樹(shù)木的其他部位,包括樹(shù)皮、樹(shù)葉、花、種子和樹(shù)根,用于可持續(xù)功能材料的研究性論文。但鮮有綜述性論文對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié),接著,文章結(jié)合樹(shù)木不同部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、化學(xué)組分及特性詳細(xì)的闡述了樹(shù)木不同部位及其內(nèi)部生物聚合物基功能材料在能源、結(jié)構(gòu)材料、電子器件、環(huán)境及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用:
2.1 樹(shù)皮衍生的先進(jìn)功能材料
樹(shù)皮豐富,可再生,廉價(jià)且可廣泛獲得,但樹(shù)皮在木材工業(yè)中通常被視為廢料。近年來(lái),樹(shù)皮的高值化利用越來(lái)越受到研究者的重視,文章總結(jié)了樹(shù)皮高值化利用的最新研究進(jìn)展,討論了樹(shù)皮衍生的多功能材料和應(yīng)用的代表性示例(圖11)。
2.2 樹(shù)葉衍生的先進(jìn)材料和器件
樹(shù)葉通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,儲(chǔ)存在多糖等碳水化合物分子中,為樹(shù)木提供能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。樹(shù)葉含有多種成分,如多酚、植物色素等,可為吸附提供活性位點(diǎn);以及抗菌,催化活性等的提取物。這些固有特性為葉子的應(yīng)用提供了巨大的潛力,文章主要概述了葉子衍生的材料在環(huán)境、催化和能源領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展(圖12)。
2.3 花衍生的先進(jìn)材料和器件
接著,文章闡述了實(shí)現(xiàn)花的高值化利用的兩種主要途徑:(1)將花中提取的染料作為集光材料和氧化還原材料應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域;(2)對(duì)花進(jìn)行一步熱解活化處理,得到可用于環(huán)境吸附和儲(chǔ)能領(lǐng)域的活性炭(圖13)。
2.4 種子衍生的功能材料和器件
然后文章總結(jié)了各種類型的種子和榨油后的種子廢棄物用于功能材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和潛力,如種子中提取的成分用于制備功能材料和器件,種子或種子廢料制備碳基材料用于能源和環(huán)境應(yīng)用(圖14)。
【總結(jié)與展望】
在這篇綜述中,系統(tǒng)地回顧了樹(shù)木不同部位的生物衍生材料在可持續(xù)功能材料方面的最新成就。樹(shù)木不同部分的應(yīng)用因其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)而異。傳統(tǒng)上,木質(zhì)產(chǎn)品已用于建筑,家具,運(yùn)輸,燃燒和造紙。最近,人們進(jìn)一步探索了木材的固有結(jié)構(gòu)和成分,以進(jìn)行材料功能化和設(shè)備制造,包括分層結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu),各向異性的細(xì)胞壁排列,分子的化學(xué)特征和氫鍵等。樹(shù)木的生物聚合物具有獨(dú)特的特點(diǎn)。例如,納米纖維素已被用作構(gòu)建基塊,以設(shè)計(jì)各種先進(jìn)的材料和構(gòu)造,并在能源,電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。疏水化可以促進(jìn)半纖維素的許多工業(yè)應(yīng)用。最近的工作表明,疏水化后的半纖維素可廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(例如,傷口敷料和藥物釋放)和運(yùn)輸包裝領(lǐng)域。樹(shù)皮中的單寧和從花中提取的染料由于其芳香結(jié)構(gòu)和提供可逆氧化還原位點(diǎn)的各種活性基團(tuán),也已用于能量存儲(chǔ)。來(lái)自種子的多糖具有優(yōu)異的成膜性和生物相容性,在生物醫(yī)學(xué)研究中引起了極大的興趣。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有良好還原性的葉提取物用于金屬納米顆粒合成。此外,樹(shù)的不同部分中的成分可用于通過(guò)碳化來(lái)制造活性炭,這在能量存儲(chǔ)和環(huán)境吸附領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。
盡管在各個(gè)研究領(lǐng)域都研究了樹(shù)木的生物聚合物的材料,結(jié)構(gòu),性能和應(yīng)用之間的關(guān)系,但是由于不同樹(shù)木類型甚至不同地區(qū)的同一棵樹(shù)木的細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)存在顯著差異,因此其結(jié)構(gòu)和組成可能有很大的不同。因此,在木質(zhì)材料和設(shè)備中應(yīng)進(jìn)一步考慮具有適當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)的木材多樣性。為了將樹(shù)木的結(jié)構(gòu)和材料商業(yè)化以進(jìn)行新的應(yīng)用,需要做出各種努力,包括:(1)開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的綠色途徑以生產(chǎn)基于樹(shù)木的衍生物或可持續(xù)的功能材料;(2)提高材料和設(shè)備的可擴(kuò)展性,壽命和耐用性,以確保它們?yōu)轭A(yù)期的應(yīng)用程序提供足夠高的性能;(3)開(kāi)發(fā)技術(shù),以充分利用非木材產(chǎn)品的成分和結(jié)構(gòu),例如樹(shù)皮,樹(shù)葉,花朵,種子和根。(4)制定完善的表征標(biāo)準(zhǔn)。我們希望未來(lái)的研究將為基于樹(shù)的材料提供更多令人振奮的想法和靈感,并為大量應(yīng)用提供出色的性能。
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