周赟磊等人：“木”見未來，從天然架構到綠色納米平臺

木材作為地球上最豐富的可再生生物質之一，其固有的層級化、各向異性與多孔結構，為跨尺度的納米工程調控提供了天然且可編程的結構支架。近年來，木材納米技術通過碳化、脫木質素及納米材料/納米結構集成等“木材專屬”功能化策略，成功實現了從天然材料向“綠色納米工程平臺”的關鍵跨越。該平臺在保持木材原生纖維與多孔框架的基礎上，引入導電、催化、抗菌、光熱等多功能耦合特性，形成結構可設計、物性可調、可按需模塊化組裝與定制的高性能材料體系。在應用方面，功能化木材已在能源儲存與轉化(如超級電容、金屬-空氣電池、離子電池電極等)以及水凈化(吸附、過濾、光熱脫鹽、光催化/抗菌處理等)領域展現出顯著潛力。面對可持續技術的迫切需求與快速迭代趨勢，功能化木材有望發展成為支撐未來綠色技術的重要材料平臺。

本文亮點

1.結構即平臺：木材固有的分層、各向異性和多孔結構提供了一種結構上可編程的支架，支持后續的納米工程策略，為各種可持續應用實現多尺度特性調制。

2.策略成體系：木材特有的分層納米工程策略——包括碳化、去木質素、激光誘導石墨烯形成和納米材料集成——被系統地分類，以實現跨多個長度尺度的可調結構和特性。

3.應用向可持續：具有納米結構的功能化木材能夠在能量存儲(例如，鋅空氣電池，超級電容器)，水處理(例如，吸附，過濾)和可再生能源發電(例如，太陽能熱，熱電和水力發電系統)中實現可持續解決方案。

內容簡介

長期以來，木材主要作為結構材料被使用，其取向孔道網絡與表面化學的“可編程性”尚未被充分用于功能化設計。蘇大黃海波/文震、西電周赟磊等人以“功能化木材”為主線，將天然木材視為生物基納米工程底座：在保留層級多孔框架的同時，通過工程化處理賦予可調的導電、傳質與界面反應能力。文章系統梳理并分類總結木材特有的納米工程策略，包括熱碳化、激光誘導石墨烯(LIG)、脫木質素、機械加工與納米材料集成，并進一步討論這些策略如何協同調控孔道結構、表面化學以及電/熱/離子傳輸等關鍵屬性。

在應用進展方面，文章重點總結了功能化木材在可持續技術中的最新研究：

1.能源儲存：如金屬離子電池、鋅空氣體系、超級電容器等；

2.水處理：如吸附、光熱過濾、催化降解等；

3.能量轉換：如太陽能蒸發、離子熱電、水伏發電與摩擦電納發電機等。

文章在最后討論了功能化木材走向實際部署仍需突破的關鍵環節：制備的一致性與可規模化、多功能集成時的界面耦合與可靠性、以及濕熱/循環載荷等真實環境下的長期穩定性與可持續評估。

圖文導讀

Functionalized Wood：從“處理策略”到“應用版圖”的樂高式組合

天然木材兼具取向孔道、可反應表面與可加工形態，可作為生物基納米工程底座。本文圍繞‘處理策略—結構調控—應用場景’給出一套模塊化路線：通過機械加工、脫木質素、熱碳化、激光誘導石墨烯與納米材料集成，把木材從結構材料升級為面向儲能、水處理/環境修復與能量獲取的多功能平臺。

I為什么“功能化木材”是綠色納米工程平臺

如圖1所示，用‘木質樂高平臺’概括核心：木材的層級孔道與表面化學提供天然支架；機械加工、脫木質素、熱碳化、激光誘導石墨烯以及納米材料負載像‘積木模塊’可按需組合，實現電極、傳質界面與能量轉換單元的快速構建。

圖1. 采用關鍵加工策略制備的功能化天然木材及其在儲能、能量轉換和環境修復領域的代表性應用。

II從結構到功能：木材的“層級孔道×化學基團”如何支撐可編程設計

如圖2所示，木材由纖維素/半纖維素/木質素構成，形成細胞壁—管腔—導管等多尺度結構。取向孔道帶來高通量傳質與低阻補液，豐富官能團提供可反應位點，而各向異性骨架保證形態穩定并支持結構取向調控。

圖2. 木材從樹木解剖學到分子結構的多尺度結構分析。

III五大處理策略：把木材變成可編程“綠色納米工程平臺”

(1) 先做“形態”，再做“功能”：木材加工與切割把材料帶入可制造區

加工與切割決定木材孔道結構能否在器件尺度上被“搬運”與復現。粉碎、旋切、切片/塊材加工及壓縮致密化可將木材轉化為粉末、單板、薄片或致密體，對應不同的界面面積、傳質路徑與力學支撐，為吸附/過濾、光催化、光熱與儲能電極等應用提供可制造的形態基礎。與此同時，機械加工也是關鍵的結構調控手段：通過放大比表面積、暴露活性位點并保留或重構孔道取向，為后續脫木質素、碳化與復合等工程化處理奠定更可控的結構前提。

圖3. 將木材機械加工成四種形態——木粉、單板、木片和壓縮木。

不同加工形態(粉末/薄片/片材/壓縮材)對應不同傳質路徑與界面面積，從而服務于光催化、吸附/過濾、光熱與儲能電極等多場景，如圖4所示。

圖4. 木材機械加工及應用的代表性實例。

(2) 熱碳化：用木材孔道做“模板”，一鍵得到連續導電的多孔碳框架

熱碳化可在惰性/限氧條件下將木材由絕緣骨架轉為連續導電的多孔碳框架，并保留原生孔道拓撲。通過溫度、氣氛與升溫程序可調控碳化程度、缺陷/有序度與分級孔結構，從而為電極、載體與傳質界面奠定導電與結構基礎。

結合XRD、Raman、FTIR與SEM等表征，可關聯官能團脫除、石墨化/缺陷演化與孔結構變化，用于指導熱碳化參數優化與性能設計。

圖5. 木材的熱解。

(3) 激光誘導石墨烯(LIG)：在木材上“寫電路/寫電極”，把功能圖案化

激光誘導石墨烯(LIG)更適合局域圖案化：激光瞬態高溫驅動表面碳從sp3向sp2重排，形成多孔導電網絡，可直接在木材上‘寫’電極與電路。

LIG的電阻與石墨化程度受功率、掃描速度等參數控制，便于快速制備柔性電極和應變/觸控/濕度等傳感器，并可與木材孔道結構協同實現器件集成。

圖6. 木材上激光誘導石墨烯。

(4) 脫木質素：打開細胞壁納米孔，讓木材“更可浸漬、更可透明、更可界面工程”

木質素賦予木材疏水性與結構穩定，但會阻礙離子/分子滲透并降低后續復合的均勻性。脫木質素可視為細胞壁“微結構工程”：降低木質素含量、暴露纖維素微纖絲并引入納米孔，從而提升孔隙率、比表面積與親水性，利于功能溶液浸潤與原位生長；同時削弱光散射，為透明木(樹脂折射率匹配再浸漬)提供基礎。工藝路線主要分為傳統化學法(去除效率高但有強氧化與廢液壓力)與綠色溶劑法(如DES，更溫和且更利于可持續規模化)。

圖7. 脫木質素前后木材的結構和性能表征。

圖8. 深共晶溶劑(DES)脫木質素對木材結構、成分和性能的影響。

(5) 木材—納米材料混合系統：把“活性位點/導電網絡/選擇性界面”裝進孔道

納米材料集成往往決定功能上限：在木材孔道與表面引入導電網絡、催化活性位點或選擇性界面，可形成多尺度協同的復合體系。關鍵在于兼顧滲透/負載均勻性、界面結合與傳質通道，同時控制團聚與孔道堵塞。

圖9. 用于太陽能驅動水凈化的木質復合材料的開發及功能納米材料的整合。

圖10. 將功能納米材料嵌入木材結構的代表性原位策略。

圖11. 木材-納米材料復合材料的代表性自下而上策略。

IV三大應用版圖：儲能、環境修復(水處理)、能量收集

(1) 能源存儲：木材孔道=三維反應器，碳/復合=高效電極

在儲能領域，功能化木材的核心優勢是把‘結構’直接變成‘電極架構’：取向孔道提供低阻補液與離子通道，碳化/石墨化提供連續導電網絡，復合活性材料提供高容量/贗電容反應位點。對于金屬離子電池，木基電極可緩解活性材料體積膨脹并提升倍率與循環壽命；對于超級電容器，木衍生多孔碳通過孔結構可達性與表面化學調控實現高功率輸出，并可通過復合金屬化合物/導電聚合物提升能量密度。綜述強調：決定性能的不是某一種材料‘配方’，而是孔道傳質—導電骨架—界面活性位點的協同設計。

圖12. 木材衍生材料在鋅-空氣電池中的功能應用。

圖13. 木材衍生材料在鋰離子電池中的功能應用。

圖14. 木材衍生碳材料在鈉離子電池中的應用。

圖15. 用于超級電容器和混合儲能應用的木材衍生碳結構。

(2) 廢水處理與環境修復：把木材做成“高通量、可選擇、可反應”的界面系統

水處理場景對材料提出三重要求：高通量、選擇性與可再生。木材的取向孔道天然適合構建低壓降、高通量的過濾與傳質界面；而脫木質素與表面改性/復合又能引入可選擇吸附與催化反應位點。綜述給出三條主線：催化分解污染物；過濾與吸附界面；太陽能驅動界面水蒸發(光熱凈水/脫鹽)。同時強調從實驗室走向真實水體時，抗鹽、抗污染、耐久性與模塊化集成是關鍵。

圖16. 用于水凈化和高級氧化工藝的木材衍生復合催化劑。

圖17. 用于水凈化和離子分離的功能化木材膜。

圖18. 用于太陽能蒸汽產生的仿生木質光熱材料。

圖19. 用于太陽能驅動水凈化的功能化木質蒸發器。

(3) 能量收集：從光熱/光伏到水伏/離子遷移，再到木質摩擦電發電

除了‘存能’，木材平臺也可用于‘取能’。光能利用側重光吸收界面與熱/電荷管理；水基能量轉換依賴孔道內離子遷移與界面電荷；摩擦電則利用木材可加工與多孔表面實現高效起電。三者共同體現了木材平臺的跨場景可重構能力。

圖20. 用于太陽能收集和發電的木質基系統。

圖21. 用于能量轉換、電化學界面和太陽能脫鹽的木質材料。

圖22. 用于水伏和離子熱電能量收集的木質策略。

圖23. 木質摩擦納米發電機(W-TENG)的結構設計、制備工藝和表面改性策略。

圖24. 提高木質摩擦納米發電機(W-TENG)性能的結構改性策略。

圖25. 用于提升摩擦納米發電機(TENG)性能的木質基復合材料和木材衍生材料。

圖26. 木質摩擦納米發電機(W-TENG)在智能家居系統中的應用。

V總結

綜述系統梳理了功能化木材的‘結構底座—工程策略—應用版圖’邏輯：以天然取向孔道與可反應表面為基底，通過機械加工、脫木質素、熱碳化、激光誘導石墨化與納米材料集成等手段，實現孔道結構、表面化學與電/熱/離子傳輸的可設計化，使木材從傳統結構材料升級為可編程的綠色納米工程平臺。

基于上述策略，木基材料已在儲能(電池/超級電容)、水處理與環境修復(吸附-過濾、光催化、太陽能蒸發)以及能量獲取與轉換(光熱/熱電/摩擦電/水伏等)等方向展現出兼具性能與可持續性的路徑。

面向落地，仍需解決三類關鍵問題：規模化制備的一致性與可重復；多功能集成過程中的界面耦合、傳質/傳電與力學可靠性；以及濕熱、循環載荷等真實環境下的長期穩定性與可回收/降解評估。

未來，功能化木材有望進一步走向系統化與場景化設計：在生物醫工領域發展定向孔道支架與生物傳感；在柔性電子與信息器件中作為介電基底、離子導體或碳化導電元件；并與能源/環境系統深度集成，形成可規模制造、可維護、可持續的材料—器件—系統解決方案。

作者簡介

黃海波

本文通訊作者

蘇州大學副教授

▍主要研究領域

1、微機器人與微操作、顯微視覺及生物感知技術；2、自供電可穿戴柔性健康監測器件；3、高性能二維納米材料傳感器件。

▍主要研究成果

2000年于浙江大學儀器科學及工程學系獲工學學士學位，2004年于浙江大學控制科學及工程學系獲工學碩士學位，2008年于香港城市大學制造工程及工程管理學系獲博士學位，博士畢業后赴加拿大多倫多大學從事博士后研究工作。以第一或通訊作者在國際期刊與會議上發表論文50余篇，其中SCI收錄論文25篇。已申請中國國家專利60余項，其中以第一發明人授權美國發明專利3項、中國發明專利20余項。獲2019年教育部高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎二等獎。

Email：hbhuang@suda.edu.cn

文震

本文通訊作者

蘇州大學教授

▍主要研究領域

(1)納米傳感材料：楊氏模量梯度材料、液態金屬/導電高分子材料、離子電活性聚合物材料；(2)柔性傳感器件：摩擦電觸覺傳感器、柔性MEMS傳感器、有機/聚合物場效應晶體管；(3)智能傳感系統：可穿戴生理信號監測系統、電池熱失控預警系統、無線無源傳感系統。

▍主要研究成果

蘇州大學功能納米與軟物質研究院教授、院長助理，主要從事納米傳感材料、微納傳感器件、智能傳感系統等方面研究。以第一/通訊作者發表學術論文130余篇，總引用18000余次，h因子76，獲授權發明專利39項，其中12項已轉讓。主持國家重點研發計劃課題2項等，入選江蘇省高層次人才“333工程”、江蘇省優青、江蘇省青托、江蘇省科技副總、全球前2%頂尖科學家榜單(終身榜)等，榮獲2024年中國商業聯合會科學技術發明獎、2025年MINE青年科學家獎等；目前擔任Nano Energy編輯、MINE期刊青年編委。

Email：wenzhen2011@suda.edu.cn

周赟磊

本文通訊作者

西安電子科技大學菁英副教授

▍主要研究領域

主要從事可植入材料與電子器件，柔性傳感器方面的研究。

▍主要研究成果

西安電子科技大學杭州研究院/機電工程學院菁英副教授， 擔任Rare Metals學術副主編， Green Technologies and Sustainability期刊副主編，Soft Science期刊編委等。

Email：zhouyunlei@xidian.edu.cn