马里兰大学/华中科大《Chem》：木头变“海绵”的科学之旅

导读

一块木头，经过简单的处理就可变为兼具柔性和韧性的碳基“海绵”。近日，来自美国University of Maryland与我国华中科技大学的合作团队在国际知名期刊《Chem》上发表论文，通过合理利用天然木材的结构，通过的简单的物理化学方法将木材转化为碳基“海绵”，为这一类新型材料的制备探索了新的路线。

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质轻、多孔、易导电、易压缩的碳基材料自问世之初就吸引着广大研究人员的目光。一直以来，这类材料一般以石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯等作为原料合成，尽管以此得到的众多材料展现出了十分优异的电学、力学性能，但原料难以制备、非可再生的缺陷制约它的发展。因此，如何发展一种廉价、简单并且可以规模化生产的制备路线成为了该领域的一个难题。

材料的弹性压缩性能需要合理的亚结构设计，在日常生活中，最常见的可机械压缩结构就是弹簧了。通过弹簧线的扭曲和压缩，弹簧可以大大地吸收震动，另外一种具有可压缩性能的结构就是蜂巢——受到这些结构的启发，来自美国University of Maryland与我国华中科技大学的联合团队开发了一种类似海绵的可压缩碳基材料，展现出了良好的力学与电学性能，该论文的通讯作者为马里兰大学胡良兵教授和李腾教授，华中科技大学谢佳教授。由于原料为木头，且材料通过碳化来制备，研究者将其称为“木-碳海绵” （wood carbon sponge, 以下简称为WCS）。

Figure 1. WCS的制备路线示意图

WCS的制备并不是非常复杂。首先将木块经碱性条件下的Na2SO3处理，则木头中的木质素发生磺化并被去除，同时，半纤维素与部分纤维素也发生了溶解，第二步继续进行H2O2处理, 则木头中的方格结构进一步的被破坏，在后续的冻干过程中，产生独特的类蜂巢的层状结构。并且，经过高达1000度的碳化处理，这种蜂巢结构可以较大程度地保留下来（Fig 2D-E）。与之对比的是，如果木头不经过化学处理而直接高温碳化，则直接保留原来的方格结构 （Fig2A-C）。

Fig.2 A-C: 木头直接经过碳化处理后的微观方格状结构；D-F: 碳化处理后，WCS材料的层状结构。

由于独特的层状多孔微观结构的存在，WCS材料的密度很低，与原始木头原料相比，其密度低了约10倍。同时展现出类类似海绵状材料的力学行为。在形变小于 20%阶段，应力-应变曲线呈现出线性变化，表明该阶段发生弹性形变，在20% < 形变< 60%阶段，应力应变曲线出现平台区，而在形变>60%阶段，应力随着应变快速上升。该材料的最大形变量为压缩80%，并且稳定性高，能耐受多次循环压缩。

Fig.3 A/B: WCS 应力应变曲线；3C: 每个压缩周期的能量损失，3D: 近碳化处理后的材料的应力-应变曲线； 3E: 50% 形变下，循环10000周期后的弹性强度。

WCS同时展现了较高的压力-电阻敏感度，研究者利用这种材料做成了一个简单的电子元件，证明其可用于穿戴设备的潜力。

Fig.4 基于WCS的应变传感器性能

总之，WCS这种独特的层状结构以及出色的机械和电气性能可能有助于在未来实现许多的应用，包括可穿戴电子设备，可充电电池，超级电容器，可用于人体健康监测等。此外，WCS的制造工艺流程简单，具有可持续性和可扩展性，从而为可持续性地利用自然资源开发海绵状功能材料开辟了新机遇。

参考文献：

Chaoji Chen et al, Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge, Chem (2018). DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.028

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