電子行業(yè)的快速興起給人類生活帶來了極大便利,但同時也產(chǎn)生了大量電子垃圾,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此,近年來研究和開發(fā)可持續(xù)和可降解的新型“綠色”電子器件受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。纖維素和甲殼素是地球上儲量最豐富的生物質(zhì)資源,具有可再生、可生物降解、耐高溫和易于功能化改性等優(yōu)點,是制備“綠色”電子產(chǎn)品的理想材料。然而,天然生物質(zhì)材料具有結(jié)構(gòu)和成分的復(fù)雜、親水、功能性差(如:缺乏導(dǎo)電性)等缺點,限制了其在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。因此,對天然生物質(zhì)材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、分子改性和功能調(diào)控使其滿足電子產(chǎn)品的使用要求至關(guān)重要。
圖1 生物質(zhì)基材料在“綠色”電子器件中的應(yīng)用
近日,華南理工大學(xué)王小慧教授課題組受邀在《Progress in Materials Science》上發(fā)表了題為“Designed Biomass Materials for “Green” Electronics: A Review of Materials, Fabrications, Devices, and Perspectives”的綜述論文。該綜述首先介紹了纖維素和甲殼素的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)和本質(zhì)特性,以及其應(yīng)用于電子器件領(lǐng)域的優(yōu)勢和不足之處。接著,歸納了近年來通過物理、化學(xué)、生物、表面和界面工程等策略設(shè)計一維、二維和三維生物質(zhì)材料,使其滿足電子器件應(yīng)用領(lǐng)域材料特性的具體方法,并總結(jié)了這些材料的結(jié)構(gòu)特點、綜合性能、可持續(xù)性和經(jīng)濟性。然后,總結(jié)了利用一維、二維和三維生物質(zhì)材料開發(fā)有機發(fā)光二極管(OLEDs)、太陽能電池(SCs)、印刷電子產(chǎn)品(PEs)和薄膜晶體管(TFTs)等“綠色”電子產(chǎn)品的最新研究進展。最后,概述了生物質(zhì)“綠色”電子器件領(lǐng)域目前所面類的主要挑戰(zhàn)、未來的重點發(fā)展方向和應(yīng)用前景。
圖2 通過界面調(diào)控策略設(shè)計功能性生物質(zhì)基材料
圖3 生物質(zhì)基材料(甲殼素納米紙)作為有機發(fā)光二極管的柔性基底
圖4 生物質(zhì)基材料(a,殼聚糖衍生物;b,木質(zhì)素衍生物;羧甲基纖維素)作為太陽能電池的陰極界面層
圖5生物質(zhì)基材料(打印紙)作為打印電子線路的柔性基底
圖6生物質(zhì)基材料(a,紙張;j,纖維素納米紙)作為薄膜晶體管的柔性基底
該論文第一作者為蘇治平博士(現(xiàn)為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授),通訊作者為華南理工大學(xué)王小慧教授。該工作獲得了國家重點研發(fā)計劃(2019YFE0114400)、國家自然科學(xué)基金(22005103)、泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才計劃(20180215)和中國博士后科學(xué)基金(2021M702377)等項目的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100917
通訊作者簡介:王小慧,華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,教授、副主任。主要從事生物質(zhì)及紙基材料研究,發(fā)展了木質(zhì)纖維功能界面的構(gòu)建方法,實現(xiàn)多種碳納米材料和金屬納米顆粒對纖維的高效復(fù)合,并以此為基礎(chǔ)制備了具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、電磁屏蔽等性能的纖維及紙基材料;發(fā)展并改進了天然生物質(zhì)的均相改性方法,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、性能可控的兩親性、離子性生物質(zhì)衍生物的定向制備,進一步利用生物質(zhì)及其衍生物分子自組裝、復(fù)合等方法獲得多種特殊結(jié)構(gòu)和功能性的生物質(zhì)基化學(xué)品和代塑新材料,并實現(xiàn)了它們在高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用。入選中組部萬人計劃“青年拔尖人才”、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”支持計劃、廣東省特支計劃、及“泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才”。已發(fā)表SCI論文110余篇,含IF>10的二十余篇,SCI他引3500余次,3篇論文曾入選ESI高被引論文。獲教育部自然科學(xué)二等獎2項,主持重點研發(fā)計劃項目等國家及省部級科研項目10余項,參編英文專著3部,獲授權(quán)發(fā)明專利20余件,專利成果轉(zhuǎn)化4項,F(xiàn)擔(dān)任中國纖維素行業(yè)協(xié)會專家委員會委員、中國化學(xué)會纖維素專業(yè)委員會委員、廣東省造紙學(xué)會理事、國際期刊“Industrial Crops & Products”(一區(qū))副主編,及“Bioresources”、Molecules、中國造紙、中國造紙學(xué)報、林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)、林業(yè)工程學(xué)報、數(shù)字印刷等期刊編委。
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