木头大王胡良兵AM: 离子在木质结构中的微观调控及器件应用

01 前言

离子传输及其调节在生物系统中至关重要，包括植物、动物和人类。近年来，它还在离子纳米流体、晶体管、热电、电池、盐梯度发电机、太阳能海水淡化膜、滤水器、离子电子学、传感器、生物器件等各种器件中发挥着重要作用。

特别是，离子传输迁移率和选择性是许多应用的决定因素，可以通过修改材料和/或设备的多尺度结构来调整它们以满足不同的需求。孔尺寸的结构工程对于调节离子传输行为尤其重要，当通道尺寸从宏观/微米尺度减小到纳米尺度时，离子传输行为可能会大不相同。事实上，在纳米尺度调节离子传输行为是设计高性能能源设备的有效方法。

尽管目前开发的材料（例如碳质材料、聚合物材料、陶瓷）可以实现高离子电导率和/或选择性，但仍具挑战。首先，以低廉的价格制造具有大量纳米级通道的大尺寸材料是很难实现的。其次，这些材料大多以石油为基础，不可再生，无法满足现代社会日益增长的可持续发展需求。对于某些应用，例如便携式和可穿戴电子产品，高机械强度和柔韧性是必不可少的要求；然而，上述材料很难满足这些需求。最后，稳定性始终是实际使用中的一个挑战。

生物基材料（如木质材料）丰富且可再生，被认为是有吸引力的替代品，可以潜在地应对其中一些挑战（图 1a）。最重要的是对于离子传输应用，木材具有分层多孔结构，由许多具有明显各向异性的空心细胞组成。这种分层细胞结构为水、养分和离子传输提供了多尺度定向通道，支持活树中发生的光合作用过程。

本文描述了通过多尺度结构工程对各种新兴应用的木质结构离子调节的最新进展，包括电池、超级电容器、热电、盐梯度发电机、太阳能海水淡化膜、水过滤器、离子纳米流体、晶体管、传感器和生物设备。

首先讨论了木材的分层细胞结构和木质结构的改性策略，以及基于溶液的多孔介质中的基本离子传输行为。进一步探索了木基结构中离子传输行为的关键影响因素和调控策略，包括孔结构、表面特性的调整。还讨论了各种器件中木质结构的离子传输行为和调节策略，重点是它们的结构-性能-性能关系。最后，本文就该领域的挑战以及未来的研究和商业化机会做了展望。

图1. 木质离子导电材料的优势和局限性。

02 材料，制备及结构

木头的结构及组分。木材是由众多细胞组成的天然复合材料，其根茎中有丰富的纤维组织。除了这些共同特征之外，木材还展示了包括软木和硬木在内的所有木材物种之间的巨大多样性，例如细胞类型、孔隙结构（例如，孔径和孔隙率）、密度和外观（例如，颜色和木纹）。木材微观结构的这种多样性允许根据其功能和应用对各种离子调节的木质结构进行丰富的调节和选择。

图2. 木头的多级结构及组分。

木头的结构可调性。一般来说，有两种制造木质材料的方法——自上而下和自下而上。

自上而下的过程可以定义为以原木为原料，不经过大量的除纤过程，木材的分层细胞微观结构在很大程度上保留在最终产品中的处理过程。自下而上的过程从原纤化纤维素构建块开始，然后进一步组装成块状结构。

图3. 制备木质材料的策略及修饰策略。

提高木头的水稳定性策略。稳定性，尤其是在水中的稳定性对于离子调节和相关应用至关重要，因为这些材料通常用于水性电解质。目前通过涂层、乙酰化处理、反离子交换、交联处理、酯化、糠醛化等策略可提高其稳定性。

03 离子传输行为

离子传输行为的基本原理。当固体物体浸入电解质中时，将形成双电层 (EDL)，其中包括紧邻固体表面的 Stern 层和延伸至液体的移动层。

在 EDL 内，电位从界面到通道中心呈指数下降（图 4b）。如图 4c 所示，表面电荷通过反离子的积累和共离子的消耗来平衡。

离子传输行为的调控。离子传输行为可以通过调整表面特性（主要是表面电荷密度或 zeta 电位）、通道大小或它们的组合来调节。

图4. 离子传输行为。

04 各类新兴器件中的应用

能源领域的应用

(1) 电化学电池及超级电容器。

(2) 盐梯度发电。

(3) 热能收集。

水处理领域的应用

(1) 脱盐太阳能海水淡化。

(2) 水过滤。

信号及传感领域的应用

(1) 晶体管。

(2) 传感器。

生物系统领域的应用

图5.木质材料在各个领域中的应用。

05 总结及展望

尽管目前基于木质材料的研究已经取得巨大进展，然而，仍有几个关键挑战需要进一步研究以弥合学术研究和实际应用之间的差距。

(1) 在纳米尺度上的改性增加了大规模制造以满足实际应用需求的难度;

(2) 进一步提高现有设备的性能和开发新的木质离子调节设备对于推动该领域更进一步至关重要。开发新的结构修饰、更先进的表征技术和计算模拟，以及材料科学、化学、物理学和工程学之间的跨学科研究将是必不可少;

(3) 必须考虑木质材料和设备对水、热、光、细菌和真菌的多级稳定性，特别是对于户外和水下应用;

(4) 最后，基于木材的离子调节技术和设备的商业化取决于性能可靠性、制造成本的降低以及实现更可持续社会的全球驱动力。