人類社會發展需要可持續和可再生資源。生物質是一種富含碳素的可再生資源，將其轉化為碳材料，可以實現穩定的固體形式的碳儲存，對於實現“碳達峰、碳中和”戰略目標具有重要意義。
由於生物質自身結構的多樣性和組成的複雜性，生物質碳材料的合成、定向重組和功能化，以及大規模應用面臨著巨大的挑戰與機遇，如何實現
生物質碳材料的可控制備和規模化生產是我們需要思考的問題。
基於此，華南理工大學輕工科學與工程學院彭新文教授及其團隊，利用生物質木質纖維大分子特性、聚集態結構、介面相互作用、材料本徵結構等優勢，透過結構調控、介面工程、微觀缺陷調控、異質摻雜等方法，構建了一系列新型生物質功能碳材料，比如柔性碳、體相催化碳、單原子木質碳材料等，並對它們的效能實現了精準調控與應用。
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，生物質碳具有本徵脆性，傳統的製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構，比如人體足弓的拱形結構，可以很好地承受身體帶來的壓力並實現應力的有效傳遞，這讓他們產生了透過設計波浪形層狀結構製備可壓縮、彈性碳材料的想法。
具體來說，其採用簡單的冰晶冷凍導向的方法，利用片狀奈米材料誘導奈米纖維素產生層狀結構，並透過奈米纖維素的奈米焊接作用，製備了一種生物質碳氣凝膠。
獲得首例兼具高壓縮、超回彈和彎曲效能的生物質碳氣凝膠
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透過生物質大分子介面相互作用、金屬離子配位作用等相互作用，減少碳氣凝膠層狀結構的缺陷，進而提高碳氣凝膠的力學效能及靈敏度，實現了此類碳氣凝膠在可穿戴感測器中應用。
這一系列研究為生物質柔性碳材料的設計與應用提供了理論與技術指導，對柔性碳材料的發展具有重要的意義。
如前所述，課題組在生物質柔性碳材料的研究中已經取得了較多突破。但是，除了柔性感測器件，碳氣凝膠在能源儲存與催化轉化領域，有著更廣闊的發展前景。
因此，如何在保證碳氣凝膠力學效能的前提下，進一步實現其功能化是其研究的又一突破點。
基於此前在碳氣凝膠結構調控方面的深厚積累，他們引入能起到結構調控和活性位點自摻雜的小分子物質（比如 N、S、P 等元素及路易斯酸等），製備了具有可控雜原子、金屬活性位點摻雜的一系列奈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，且表現出優異的氧化還原反應/水氧化電催化活性，可直接作為空氣陰極用於鋅空電池，解決了傳統粉體碳催化劑需要使用粘結劑和集流體的問題。
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，且表現出優異的電化學和機械穩定性。這些研究成果無疑將為生物質的高值化利用和高效雙功能空氣陰極的設計提供新的策略。
利用農林生物質，構建一系列碳基體相催化材料
不同於透過生物質解聚後重構獲得的柔性碳氣凝膠，該團隊還提出一種“自上而下”的策略，利用農林生物的天然孔道結構和優異的機械強度，構建了一系列自支撐體相電催化劑，並將其用於電催化、生物質氧化、有機合成等領域。
透過選擇性酶解、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、促進氮摻雜和協同單原子錨定，進而獲得具有分級多孔結構和豐富催化活性位點的生物質基碳材料。
同時，他們也深入研究不同的處理方法，對於生物質基碳材料的微觀結構、元素組成和結合態等理化結構的影響規律，並進一步結合理論計算，探究了催化劑活性位點和相關反應機制，闡明瞭理化結構和電催化效能之間的構效關係，為構建低成本、高活性的體相催化劑材料提供了新的思路和方向。
為木質素的高值化利用提供新方向
除了上述“剛柔並濟”的體相碳材料，課題組在傳統制漿造紙領域相關的碳材料發展上也有一定的探索。
基於製漿造紙技術平臺，其致力於生物質功能材料與製漿造紙廢棄物高值轉化研究，重點圍繞生物質碳材料及其在催化、新能源電池關鍵材料、感測與柔性可穿戴器件等領域。
最近幾年，課題組在木質纖維素的光、電、熱高度選擇性轉化等方面開展了一系列研究工作。
例如，木質素作為造紙廢棄物，每年產量可達 7000 萬噸，其中只有約 10% 得到有效利用，其餘大部分工業木質素被作為工業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生新的環境汙染問題。
針對此問題，該團隊以製漿過程中產生的危害性黑液——即木質素類作為原料，透過木質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、大規模製備金屬單原子催化劑的方法，為木質素高值化利用提供了新的方向。
此外，他們還結合成熟的造紙工藝，將生物質碳與紙漿纖維、商用隔膜等複合構建了生物質多功能碳膜/紙，用於鈉硫電池、鈉離子電池等領域。
“我們堅信在不遠的將來，可再生、價格低廉的生物質碳基材將進一步發光發熱，並最終走向工業化應用。”彭新文表示。
在生物質碳材料方面的研究，該團隊已有多年積累，開發了多種柔性功能材料。
例如，其以奈米纖維素為骨架製備的碳氣凝膠，並將其應用在鋅空氣電池的工作，因其優異的電催化活性、迴圈穩定性和高能量效率獲得了較多關注，這是生物質高值化利用和纖維素衍生材料功能化的出色進展，相關論文已發表於
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構，有利於氣體擴散、電解液浸潤，而且有良好的柔性和優異的電化學儲能效能。
未來這項工作有望為柔性電子器件提供高效能電極材料，且為生物質轉化為碳材料、電化學儲能應用提供新方法。”
透過“自上而下”的構建方法，規模化批次製備木質纖維生物質碳基新材料
利用生物質木質天然孔隙結構，透過“自上而下”構建方法，該團隊還開發了一系列木材體相碳材料。
例如，他們利用生物質的酶水解擴大天然孔隙的方法，構建了分級多孔的“透氣”碳板，成本低且簡單有效，當應用在金屬空氣電池中，可以克服從生物質製造多孔碳電極的低能效問題，所得碳在氧還原和析氧反應方面表現出優異的催化活性。
碳化木板具有機械強度高、高導電性等特點，幷包含交聯網路和天然離子傳輸通道，可直接用作無金屬電極，無需複寫紙、聚合物粘合劑或炭黑。
這種非模板化方法非常有效、且是可擴充套件的，並且適合將低成本生物質轉化為、適用於許多能源相關應用的高價值產品。
歐盟科學院院士&佐治亞理工學院材料科學與工程學院教授劉美林評價稱：“與傳統電極材料相比，木基電極具有獨特的優勢，如分層多孔結構，優越的機械效能，高的電導性及實現高活性材料負載量的潛力。”
在新能源器件和催化領域，探索生物質碳材料的應用
推進“雙碳”戰略是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，其中能源系統低碳轉型將是實現“碳達峰、碳中和”戰略目標的關鍵。
自 2014 年以來，彭新文團隊便開展了生物質碳材料在新能源器件與催化中的應用研究。
他們著眼於可再生的木質纖維生物質原料，將其轉化為生物質碳材料，目標是解決木質纖維生物質碳材料存在的挑戰，如形式單一、難以實現大規模應用、效能較差、功能缺乏、結構穩定性差等問題。
第一步是探索階段，針對農林生物質的特點，透過大量的實驗，課題組提出了兩種新的彈性結構，以用於生物質柔性碳材料的構建、及其在柔性感測和儲能器件的應用，分別是奈米纖維素基的波浪片層結構和木材仿生的管胞型結構碳氣凝膠材料。
所製備的碳氣凝膠材料，可用於柔性壓力感測器，當搭載於可穿戴裝置的電子器件上，能夠靈敏地監測生物訊號。研究進行到這裡，也意味著該團隊在生物質基碳氣凝膠的製備和應用上取得了初步成效。
第二步是發展階段，在生物質柔性碳方面，他們發展了雜原子、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催化系統的電極關鍵材料。
第三步是拓展階段，基於在生物質碳材料的多年經驗，他們不僅利用造紙相關材料製備生物質碳材料，還把生物質碳材料在各種電池體系和催化體系中進行拓展，比如將製漿黑液中木質素磺酸鹽合成為奈米碳基催化劑，實現綠色規模化製造並用於鈉電負極。
以及設計並構建了一種輕質多孔的奈米纖維素基碳氣凝膠，其可作為多功能隔膜用於室溫鈉硫電池。
基於成本低、環境友好等特點，由生物質碳材料製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。未來，可更換的、質優價廉的生物質碳材料製成的電極，最終會走向工業化應用。
在感測、儲能、催化、環境等領域具備應用潛力
該團隊構建具有豐富分級孔結構的剛性、柔性體相碳材料，並可將其應用到氣體、金屬離子吸附、礦山廢水脫毒等環境修復領域，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、生物質催化轉化及藥物合成等領域，同樣可以充當效果良好、且前景可觀的電極材料、催化材料。
對於其他形態生物質碳材料的應用，該團隊也做了大量的研究和探索。未來若干年內，生物質基粉體碳材料的規模化應用應該主要集中在土壤修復、氣體吸附、汙水淨化、智慧農業以及傳統催化劑等領域。
彭新文表示，“我們之前的研究更多是聚焦在生物質碳材料在環境修復、金屬-空氣電池、金屬離子/硫電池、超級電容器、和柔性感測等電化學能源器件應用領域中的電極材料的設計和製備方面，所涉及到的能源器件或者催化反應往往是更傾向於半電池或者半反應的研究工作。”
後期，其也會進一步加強生物質碳材料在全電池和催化全反應等方面的綜合應用，特別是在金屬離子電池和金屬-空氣電池等能源器件的應用領域，還需要更深層次的研究。
“目前除了電極材料之外，我們也已經在生物質基電池隔膜材料、凝膠電解質材料等方面做了相應的工作並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、低碳和木質纖維生物質的高效轉化利用為目標，從農林廢棄物、製漿造紙廢棄物和全竹資源出發，設計並開發普適性、規模化的綠色生物質碳材料製備策略，聚焦碳布、碳氈、電池隔膜、硬碳電極等“卡脖子“材料，對接行業重大需求。
她繼續說道：“我們將致力於簡化工藝流程、降低能耗、減少汙染，以可再生竹、林、農等生物質資源取代傳統化石資源來製造電化學儲能器件的關鍵材料。”
同時，將生物質的其它剩餘部分應用於催化生物質高值轉化領域，例如該團隊一直提倡“全竹綜合利用、吃幹榨盡”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，從而來合成綠色化學品、綠色肥料、健康食品等。
同時，該團隊立足於輕工學科，結合傳統的造紙技術、印刷技術，發展快速、低能耗、高容量、低成本的紙基新材料。
紙基電極關鍵材料獲得快速發展的原因在於，它具備低成本、可設計、可生物降解、易於規模化製備、及結構效能穩定等優勢。但是，當前的製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、不夠環保等問題。
例如，無論是納米制備技術、還是氣相沉積技術，都是基於物理-化學作用，將導電材料固定在導電基底上，存在介面結合力不強、導電效能有限、成本高等劣勢，進一步地這會限制電極的吸附效能、準確性、穩定性和結果重現性。
而木質纖維生物質具有高比表面積和強吸附能力，且廉價易得、生物相容性高、環境友好，是電化學儲能與感測器件的理想原料。
由木質纖維製備的紙電極，其高比表面積、高導電性、高比容量和高穩定性，是實現儲能、電吸附、感測功能的前提。
因此，他們在後續研究中將會充分結合造紙技術、印刷技術與增材製造技術來製備紙基電極，發展規模化、低成本、多功能的電極製備技術。
同時，結合同步光源等表徵分析技術和理論模擬計算，來進一步研究生物質分級多孔材料的形成規律與催化效能之間的關係，為其定向合成提供理論指導。
其還打算建立生物質碳材料組份、結構和催化效能之間的定量關係模型，並將其用於指導新材料的設計，最終來提高目標結構和催化活性位點定向合成的預測性、可行性、準確性和高效性。
多年的積累，也讓課題組收穫頗豐。彭新文說：“我們團隊在國際頂級期刊發表 SCI 論文 200 餘篇，申請國家發明專利 80 件，已授權國家發明專利 35 件，部分技術正在進行合作產業化。”
科學貌似很深邃，卻總是源於生活
彭新文認為，科學貌似很深邃，卻又總是源於生活，有趣的想法有時就是從對生活的觀察與思考中產生的。
不同於石墨烯、碳奈米管等碳材料自身結構的特殊性，生物質大分子在構建柔性碳方面存在一定難度，他們一開始做生物質柔性碳材料的時候並非一帆風順，利用水熱自組裝、溶膠-凝膠方法構建的材料總容易發生結構坍塌的現象。
因此，結合微觀結構觀察，該團隊認為無序的微觀結構易導致應力下的結構破壞。
在思考“構建什麼樣的有序結構才可以更好的承受壓力”時，他們被“人體足弓的拱形結構”所觸動，考慮有序的拱形結構是否就可以承受更大的應力。
朝著這個方向，課題組才找到了一種導向冷凍的方法，並透過調控結構單元之間的相互作用，製備出了效能優異的生物質碳氣凝膠。
“而對於生物質體相碳材料的探索，也是從某次校園內園林工人修剪枝葉開始的，感慨於這些被丟棄路邊的桉木樹幹，開發利用這些廢棄的生物質資源正是我們領域該研究的方向，所以我和學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。”彭新文說。
而在當前，生物質碳材料在能源器件與催化領域的應用，仍然存在諸多挑戰。想要達到生物質碳材料的廉價、規模化生產，實現生物質材料的高值轉化利用，並進一步滿足市場提出的高標準和嚴要求，依舊是任重道遠。
“這需要我們相關學術界和產業界人員繼續努力，以便早日實現以木質纖維生物質材料部分代替石油化工、煤化工材料的工業化應用。”彭新文表示。
對於未來，她說：“希望可以更快、更好地以可再生生物質碳資源來替代更多的石油化工、煤化工產品，爭取早日推動生物質經濟戰略性新興產業發展方向朝著綠色低碳、無毒低毒、可持續發展模式快速轉型。”
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