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天科大司傳領(lǐng)/朱禮玉/王冠華/徐婷 AM 封面文章: 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化設(shè)計及調(diào)控策略
2025-03-31  來源:高分子科技



  液態(tài)金屬憑借其自愈合、良好生物相容性、優(yōu)異流動性以及粘附性等多功能特性在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)和儲能材料等前沿研究領(lǐng)域快速興起。然而,液態(tài)金屬在實際應(yīng)用過程中也面臨著表面易氧化以及流動性難精確控制等諸多挑戰(zhàn)。因此,需要對液態(tài)金屬的不同特性進(jìn)行精確調(diào)控,以實現(xiàn)更高效的應(yīng)用性能調(diào)控木質(zhì)纖維素中豐富的羥基、羧基和其他極性基團(tuán)能夠液態(tài)金屬成強化學(xué)鍵,從而增強復(fù)合材料的潤濕性、粘附性和界面相容性。在復(fù)合材料體系中,木質(zhì)纖維素的作用不僅局限于充當(dāng)支撐基質(zhì),還具有靈活的功能可調(diào)性,能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求,對復(fù)合材料的微觀界面和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過這種定制化操作,復(fù)合材料能夠彌補單一液態(tài)金屬材料的不足,并充分發(fā)揮木質(zhì)纖維素以及液態(tài)金屬的優(yōu)勢,更好地適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景,具有廣泛的應(yīng)用潛力。在該工作中,天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)朱禮玉、王冠華徐婷教授木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控做了全面和系統(tǒng)研究。文章首先對液態(tài)金屬的理化特性進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,然后詳細(xì)分析了木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬的優(yōu)勢和特點,重點闡釋了3D打印、封裝、共混等功能化的調(diào)控策略。此外,該工作還詳細(xì)討論了木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料在柔性傳感、儲能以及光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的最新應(yīng)用。最后,對木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展前景做了充分展望,為木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新視角。該成果以題為Lignocellulose-Mediated Functionalization of Liquid Metals toward the Frontiers of Multifunctional Materials發(fā)表在《Advanced Materials》(中科院一區(qū),影響因子27.42025年第3712期,并被遴選為封面文章(圖1天津科技大學(xué)2023級博士研究生李威為該論文第一作者,司傳領(lǐng)、朱禮玉、王冠華以及徐婷教授為通訊作者,天津科技大學(xué)為唯一單位。



1.論文被遴選為《Advanced Materials》封面文章


1. 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控發(fā)展歷程


  木質(zhì)纖維素是一種廣泛存在于植物細(xì)胞壁中的天然聚合物復(fù)合體,具有優(yōu)異的機(jī)械強度、熱穩(wěn)定性和生物相容性等特征。木質(zhì)纖維素可以通過多維度的物理/化學(xué)反應(yīng)調(diào)控液態(tài)金屬的微納結(jié)構(gòu)、表面特性和界面動力學(xué)。同時,木質(zhì)纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以限制液態(tài)金屬的流動性,有利于形成穩(wěn)定的微分散結(jié)構(gòu),從而增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而液態(tài)金屬的優(yōu)異導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性能也可以賦予木質(zhì)纖維素基底新的功能。這種雙向調(diào)控的方法拓寬了木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的潛在應(yīng)用。因此,木質(zhì)纖維素作為一種天然高分子材料,其獨特的結(jié)構(gòu)和特性為有效調(diào)控液態(tài)金屬提供了可行的途徑,有助于實現(xiàn)復(fù)合材料性能的精確設(shè)計和工程控制,進(jìn)而開發(fā)出滿足不同應(yīng)用需求的高性能功能復(fù)合材料(圖2)。



2.木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控發(fā)展歷程


2. 液態(tài)金屬的理化特性


  液態(tài)金屬獨特的物理化學(xué)性質(zhì)使其在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)和儲能等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用(圖3)。然而,液態(tài)金屬材料的表面易氧化以及對液態(tài)金屬流動性的精確控制等在實際應(yīng)用過程中也面臨著挑戰(zhàn)。利用微流體技術(shù)、超聲波處理等手段可以精確調(diào)控液態(tài)金屬的流動性和分散性,從而實現(xiàn)更高效的應(yīng)用性能調(diào)控(圖4)。



3. 液態(tài)金屬的理化特性



4.液態(tài)金屬的功能化調(diào)控策略


3. 木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬的優(yōu)勢


  木質(zhì)纖維素是一種豐富且可再生的綠色生物質(zhì)資源。木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬的優(yōu)勢在于其豐富的極性基團(tuán)能夠與液態(tài)金屬表面形成強化學(xué)鍵,從而增強潤濕性和粘附力,提高界面相容性(圖5)。作為支撐基質(zhì),木質(zhì)纖維素通過物理和化學(xué)方法優(yōu)化復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu),從而適應(yīng)不同應(yīng)用需求。具體而言,木質(zhì)纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠限制液態(tài)金屬的流動性,形成穩(wěn)定分散結(jié)構(gòu),從而增強尺寸穩(wěn)定性和形狀保持性。作為天然聚合物,木質(zhì)纖維素具有生物相容性和環(huán)境友好性,符合可持續(xù)發(fā)展要求。這些優(yōu)勢使木質(zhì)纖維素調(diào)控的液態(tài)金屬復(fù)合材料在電磁屏蔽、柔性傳感、能量存儲等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。



5. 木質(zhì)纖維素的理化特性


4. 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控


  目前,基于木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬的方法可分為3D打印、封裝、共混和交聯(lián)聚合(圖6)。這些功能化調(diào)控策略可以用于構(gòu)建具有不同微納結(jié)構(gòu)和形貌的木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料,從而極大拓展了木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的前沿應(yīng)用空間



6.木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控策略


5. 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化應(yīng)用


  作為一種新興的多功能材料,木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料以其獨特的流體和金屬性質(zhì),不僅衍生出許多豐富的物理化學(xué)性質(zhì),而且為現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的研究空間。本章節(jié)系統(tǒng)討論了木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料在電磁屏蔽、柔性傳感和能量存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用(圖7首先介紹了木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬復(fù)合材料在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用,其內(nèi)部構(gòu)建的連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)賦予了材料高導(dǎo)電性,這一特性是提高電磁屏蔽效率的關(guān)鍵;其次,闡述了其在柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,基于其柔韌性,材料能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的形變,而良好的導(dǎo)電性則確保了傳感器對外部物理量變化的高靈敏度響應(yīng);接著,描述了這些材料在能量存儲設(shè)備中的應(yīng)用,其特殊的結(jié)構(gòu)和性能有助于提高能量存儲設(shè)備的充放電效率、循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度;最后,概述了木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用,液態(tài)金屬和木質(zhì)纖維素協(xié)同作用,能夠高效吸收光能,并將其轉(zhuǎn)化為熱能。這種優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力使得該復(fù)合材料在太陽能利用、光熱治療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,為解決能源和醫(yī)療領(lǐng)域的相關(guān)問題提供了新的思路和方法



7.木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化應(yīng)用



8. 木質(zhì)纖維基/液態(tài)金屬復(fù)合材料在未來應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)及其解決方案


  本文系統(tǒng)討論木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料的功能化調(diào)控策略以及未來可能面臨的挑戰(zhàn)及其解決方案。雖然目前這種復(fù)合材料在材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)設(shè)計以及終端應(yīng)用等方面還有提升的空間(圖8),但隨著對木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復(fù)合材料調(diào)控技術(shù)的進(jìn)一步深入研究以及新應(yīng)用不斷涌現(xiàn),相信這些復(fù)合材料的應(yīng)用前景將更加廣闊,有望在更多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)材料,推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級換代。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202415761


作者簡介


李威,天津科技大學(xué)2023級博士研究生。主要研究方向為木質(zhì)素衍生功能材料在儲能以及光熱領(lǐng)域的應(yīng)用。獲中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎、國家留學(xué)基金委資助項目、天津科技大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文創(chuàng)新資助項目、天津科技大學(xué)碩士研究生優(yōu)秀學(xué)位論文、天津科技大學(xué)研究生“十佳學(xué)術(shù)之星”、兩次獲得研究生國家獎學(xué)金等榮譽。目前以第一作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Carbon Energy、Nano Energy等期刊發(fā)表論文10余篇(其中ESI高被引論文7篇,ESI熱點論文1篇,封面論文2篇)。申請/獲授權(quán)發(fā)明專利4項(其中授權(quán)國際專利2項)。



朱禮玉,天津科技大學(xué)講師。主要從事木質(zhì)纖維素化學(xué)和紙基功能材料的相關(guān)研究。受邀擔(dān)任高水平學(xué)術(shù)期刊《Research》和《Rare Metals》青年編委。目前以第一/通訊作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表論文20余篇。研究成果獲2024年中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎、2024年SGCE青年研究獎、2023年北京膜學(xué)會杰出青年成果獎等榮譽。



王冠華,天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點實驗室特聘教授,研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為木質(zhì)素化學(xué)及功能利用。入選天津市青年人才托舉工程,天津市創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃青年科技優(yōu)秀人才,天津市青年科技人才科技成果孵化轉(zhuǎn)化PLUS培育計劃,2024年度全球前2%頂尖科學(xué)家榜單,獲天津市優(yōu)秀青年科技工作者及全國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀博士等榮譽稱號。先后獲批國家自然科學(xué)基金面上/青年基金,天津市自然科學(xué)基金重點項目等國家及省部級項目;以第一或通訊作者在Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Materials、Advanced Energy Materials和Coordination Chemistry Reviews等高水平期刊發(fā)表論文70余篇,其中,ESI熱點/高被引論文8篇,封面論文6篇;授權(quán)發(fā)明專利12項,主持制訂團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項。研究成果獲國家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎等。



徐婷,天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點實驗室教授、博導(dǎo)、德國洪堡學(xué)者、國家高層次青年人才、中國科協(xié)青年人才托舉工程(中科協(xié)資助)入選者、中國未來女科學(xué)家計劃候選人。2020年于北京化工大學(xué)獲博士學(xué)位,同年入職天津科技大學(xué)。任《eScience》《Innovation》《Advanced Fiber Materials》《Rare Metals》等SCI收錄中科院一區(qū)期刊及《中國造紙》《中國造紙學(xué)報》《林業(yè)工程學(xué)報》等中文核心期刊(青年)編委。研究方向包括紙基先進(jìn)功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進(jìn)納米生物質(zhì)復(fù)合材料等。先后主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項目、天津市自然科學(xué)基金重點項目、企業(yè)橫向項目等10余項。以第一/通訊作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Energy Storage Materials等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文40余篇(其中ESI高被引論文24篇、封面論文15篇)。申請/獲授權(quán)發(fā)明專利11項(授權(quán)國際專利4項),制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項。入選美國斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”,先后獲國家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、美國工程化科學(xué)協(xié)會青年研究員獎等。



司傳領(lǐng),天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點實驗室教授、博導(dǎo)、科技處副處長、全國青聯(lián)委員。入選國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、國家林草局科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、天津市有突出貢獻(xiàn)專家、天津市特聘教授、天津市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等。入選ScholarGPS全球前0.05%頂尖科學(xué)家、科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”、愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”、美國斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”終身科學(xué)影響力和年度科學(xué)影響力榜單、Bentham Ambassador等。主要從事制漿造紙及生物質(zhì)資源高值化利用方面的教學(xué)研究工作。以第一或通訊作者在Energy Environ. Sci、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊發(fā)表論文200余篇(被引用>2.1萬次,個人H指數(shù)77),授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利50余項。先后主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金、教育部、人社部、天津市重點研發(fā)計劃、企業(yè)委托課題,研究成果獲教育部霍英東教育基金會高等院校青年教師獎、國家林草局梁希林業(yè)科技進(jìn)步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎等。

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