周赟磊等人：“木”见未来，从天然架构到绿色纳米平台

木材作为地球上最丰富的可再生生物质之一，其固有的层级化、各向异性与多孔结构，为跨尺度的纳米工程调控提供了天然且可编程的结构支架。近年来，木材纳米技术通过碳化、脱木质素及纳米材料/纳米结构集成等“木材专属”功能化策略，成功实现了从天然材料向“绿色纳米工程平台”的关键跨越。该平台在保持木材原生纤维与多孔框架的基础上，引入导电、催化、抗菌、光热等多功能耦合特性，形成结构可设计、物性可调、可按需模块化组装与定制的高性能材料体系。在应用方面，功能化木材已在能源储存与转化(如超级电容、金属-空气电池、离子电池电极等)以及水净化(吸附、过滤、光热脱盐、光催化/抗菌处理等)领域展现出显著潜力。面对可持续技术的迫切需求与快速迭代趋势，功能化木材有望发展成为支撑未来绿色技术的重要材料平台。

本文亮点

1.结构即平台：木材固有的分层、各向异性和多孔结构提供了一种结构上可编程的支架，支持后续的纳米工程策略，为各种可持续应用实现多尺度特性调制。

2.策略成体系：木材特有的分层纳米工程策略——包括碳化、去木质素、激光诱导石墨烯形成和纳米材料集成——被系统地分类，以实现跨多个长度尺度的可调结构和特性。

3.应用向可持续：具有纳米结构的功能化木材能够在能量存储(例如，锌空气电池，超级电容器)，水处理(例如，吸附，过滤)和可再生能源发电(例如，太阳能热，热电和水力发电系统)中实现可持续解决方案。

内容简介

长期以来，木材主要作为结构材料被使用，其取向孔道网络与表面化学的“可编程性”尚未被充分用于功能化设计。苏大黄海波/文震、西电周赟磊等人以“功能化木材”为主线，将天然木材视为生物基纳米工程底座：在保留层级多孔框架的同时，通过工程化处理赋予可调的导电、传质与界面反应能力。文章系统梳理并分类总结木材特有的纳米工程策略，包括热碳化、激光诱导石墨烯(LIG)、脱木质素、机械加工与纳米材料集成，并进一步讨论这些策略如何协同调控孔道结构、表面化学以及电/热/离子传输等关键属性。

在应用进展方面，文章重点总结了功能化木材在可持续技术中的最新研究：

1.能源储存：如金属离子电池、锌空气体系、超级电容器等；

2.水处理：如吸附、光热过滤、催化降解等；

3.能量转换：如太阳能蒸发、离子热电、水伏发电与摩擦电纳发电机等。

文章在最后讨论了功能化木材走向实际部署仍需突破的关键环节：制备的一致性与可规模化、多功能集成时的界面耦合与可靠性、以及湿热/循环载荷等真实环境下的长期稳定性与可持续评估。

图文导读

Functionalized Wood：从“处理策略”到“应用版图”的乐高式组合

天然木材兼具取向孔道、可反应表面与可加工形态，可作为生物基纳米工程底座。本文围绕‘处理策略—结构调控—应用场景’给出一套模块化路线：通过机械加工、脱木质素、热碳化、激光诱导石墨烯与纳米材料集成，把木材从结构材料升级为面向储能、水处理/环境修复与能量获取的多功能平台。

I为什么“功能化木材”是绿色纳米工程平台

如图1所示，用‘木质乐高平台’概括核心：木材的层级孔道与表面化学提供天然支架；机械加工、脱木质素、热碳化、激光诱导石墨烯以及纳米材料负载像‘积木模块’可按需组合，实现电极、传质界面与能量转换单元的快速构建。

图1. 采用关键加工策略制备的功能化天然木材及其在储能、能量转换和环境修复领域的代表性应用。

II从结构到功能：木材的“层级孔道×化学基团”如何支撑可编程设计

如图2所示，木材由纤维素/半纤维素/木质素构成，形成细胞壁—管腔—导管等多尺度结构。取向孔道带来高通量传质与低阻补液，丰富官能团提供可反应位点，而各向异性骨架保证形态稳定并支持结构取向调控。

图2. 木材从树木解剖学到分子结构的多尺度结构分析。

III五大处理策略：把木材变成可编程“绿色纳米工程平台”

(1) 先做“形态”，再做“功能”：木材加工与切割把材料带入可制造区

加工与切割决定木材孔道结构能否在器件尺度上被“搬运”与复现。粉碎、旋切、切片/块材加工及压缩致密化可将木材转化为粉末、单板、薄片或致密体，对应不同的界面面积、传质路径与力学支撑，为吸附/过滤、光催化、光热与储能电极等应用提供可制造的形态基础。与此同时，机械加工也是关键的结构调控手段：通过放大比表面积、暴露活性位点并保留或重构孔道取向，为后续脱木质素、碳化与复合等工程化处理奠定更可控的结构前提。

图3. 将木材机械加工成四种形态——木粉、单板、木片和压缩木。

不同加工形态(粉末/薄片/片材/压缩材)对应不同传质路径与界面面积，从而服务于光催化、吸附/过滤、光热与储能电极等多场景，如图4所示。

图4. 木材机械加工及应用的代表性实例。

(2) 热碳化：用木材孔道做“模板”，一键得到连续导电的多孔碳框架

热碳化可在惰性/限氧条件下将木材由绝缘骨架转为连续导电的多孔碳框架，并保留原生孔道拓扑。通过温度、气氛与升温程序可调控碳化程度、缺陷/有序度与分级孔结构，从而为电极、载体与传质界面奠定导电与结构基础。

结合XRD、Raman、FTIR与SEM等表征，可关联官能团脱除、石墨化/缺陷演化与孔结构变化，用于指导热碳化参数优化与性能设计。

图5. 木材的热解。

(3) 激光诱导石墨烯(LIG)：在木材上“写电路/写电极”，把功能图案化

激光诱导石墨烯(LIG)更适合局域图案化：激光瞬态高温驱动表面碳从sp3向sp2重排，形成多孔导电网络，可直接在木材上‘写’电极与电路。

LIG的电阻与石墨化程度受功率、扫描速度等参数控制，便于快速制备柔性电极和应变/触控/湿度等传感器，并可与木材孔道结构协同实现器件集成。

图6. 木材上激光诱导石墨烯。

(4) 脱木质素：打开细胞壁纳米孔，让木材“更可浸渍、更可透明、更可界面工程”

木质素赋予木材疏水性与结构稳定，但会阻碍离子/分子渗透并降低后续复合的均匀性。脱木质素可视为细胞壁“微结构工程”：降低木质素含量、暴露纤维素微纤丝并引入纳米孔，从而提升孔隙率、比表面积与亲水性，利于功能溶液浸润与原位生长；同时削弱光散射，为透明木(树脂折射率匹配再浸渍)提供基础。工艺路线主要分为传统化学法(去除效率高但有强氧化与废液压力)与绿色溶剂法(如DES，更温和且更利于可持续规模化)。

图7. 脱木质素前后木材的结构和性能表征。

图8. 深共晶溶剂(DES)脱木质素对木材结构、成分和性能的影响。

(5) 木材—纳米材料混合系统：把“活性位点/导电网络/选择性界面”装进孔道

纳米材料集成往往决定功能上限：在木材孔道与表面引入导电网络、催化活性位点或选择性界面，可形成多尺度协同的复合体系。关键在于兼顾渗透/负载均匀性、界面结合与传质通道，同时控制团聚与孔道堵塞。

图9. 用于太阳能驱动水净化的木质复合材料的开发及功能纳米材料的整合。

图10. 将功能纳米材料嵌入木材结构的代表性原位策略。

图11. 木材-纳米材料复合材料的代表性自下而上策略。

IV三大应用版图：储能、环境修复(水处理)、能量收集

(1) 能源存储：木材孔道=三维反应器，碳/复合=高效电极

在储能领域，功能化木材的核心优势是把‘结构’直接变成‘电极架构’：取向孔道提供低阻补液与离子通道，碳化/石墨化提供连续导电网络，复合活性材料提供高容量/赝电容反应位点。对于金属离子电池，木基电极可缓解活性材料体积膨胀并提升倍率与循环寿命；对于超级电容器，木衍生多孔碳通过孔结构可达性与表面化学调控实现高功率输出，并可通过复合金属化合物/导电聚合物提升能量密度。综述强调：决定性能的不是某一种材料‘配方’，而是孔道传质—导电骨架—界面活性位点的协同设计。

图12. 木材衍生材料在锌-空气电池中的功能应用。

图13. 木材衍生材料在锂离子电池中的功能应用。

图14. 木材衍生碳材料在钠离子电池中的应用。

图15. 用于超级电容器和混合储能应用的木材衍生碳结构。

(2) 废水处理与环境修复：把木材做成“高通量、可选择、可反应”的界面系统

水处理场景对材料提出三重要求：高通量、选择性与可再生。木材的取向孔道天然适合构建低压降、高通量的过滤与传质界面；而脱木质素与表面改性/复合又能引入可选择吸附与催化反应位点。综述给出三条主线：催化分解污染物；过滤与吸附界面；太阳能驱动界面水蒸发(光热净水/脱盐)。同时强调从实验室走向真实水体时，抗盐、抗污染、耐久性与模块化集成是关键。

图16. 用于水净化和高级氧化工艺的木材衍生复合催化剂。

图17. 用于水净化和离子分离的功能化木材膜。

图18. 用于太阳能蒸汽产生的仿生木质光热材料。

图19. 用于太阳能驱动水净化的功能化木质蒸发器。

(3) 能量收集：从光热/光伏到水伏/离子迁移，再到木质摩擦电发电

除了‘存能’，木材平台也可用于‘取能’。光能利用侧重光吸收界面与热/电荷管理；水基能量转换依赖孔道内离子迁移与界面电荷；摩擦电则利用木材可加工与多孔表面实现高效起电。三者共同体现了木材平台的跨场景可重构能力。

图20. 用于太阳能收集和发电的木质基系统。

图21. 用于能量转换、电化学界面和太阳能脱盐的木质材料。

图22. 用于水伏和离子热电能量收集的木质策略。

图23. 木质摩擦纳米发电机(W-TENG)的结构设计、制备工艺和表面改性策略。

图24. 提高木质摩擦纳米发电机(W-TENG)性能的结构改性策略。

图25. 用于提升摩擦纳米发电机(TENG)性能的木质基复合材料和木材衍生材料。

图26. 木质摩擦纳米发电机(W-TENG)在智能家居系统中的应用。

V总结

综述系统梳理了功能化木材的‘结构底座—工程策略—应用版图’逻辑：以天然取向孔道与可反应表面为基底，通过机械加工、脱木质素、热碳化、激光诱导石墨化与纳米材料集成等手段，实现孔道结构、表面化学与电/热/离子传输的可设计化，使木材从传统结构材料升级为可编程的绿色纳米工程平台。

基于上述策略，木基材料已在储能(电池/超级电容)、水处理与环境修复(吸附-过滤、光催化、太阳能蒸发)以及能量获取与转换(光热/热电/摩擦电/水伏等)等方向展现出兼具性能与可持续性的路径。

面向落地，仍需解决三类关键问题：规模化制备的一致性与可重复；多功能集成过程中的界面耦合、传质/传电与力学可靠性；以及湿热、循环载荷等真实环境下的长期稳定性与可回收/降解评估。

未来，功能化木材有望进一步走向系统化与场景化设计：在生物医工领域发展定向孔道支架与生物传感；在柔性电子与信息器件中作为介电基底、离子导体或碳化导电元件；并与能源/环境系统深度集成，形成可规模制造、可维护、可持续的材料—器件—系统解决方案。

作者简介

黄海波

本文通讯作者

苏州大学副教授

▍主要研究领域

1、微机器人与微操作、显微视觉及生物感知技术；2、自供电可穿戴柔性健康监测器件；3、高性能二维纳米材料传感器件。

▍主要研究成果

2000年于浙江大学仪器科学及工程学系获工学学士学位，2004年于浙江大学控制科学及工程学系获工学硕士学位，2008年于香港城市大学制造工程及工程管理学系获博士学位，博士毕业后赴加拿大多伦多大学从事博士后研究工作。以第一或通讯作者在国际期刊与会议上发表论文50余篇，其中SCI收录论文25篇。已申请中国国家专利60余项，其中以第一发明人授权美国发明专利3项、中国发明专利20余项。获2019年教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖。

Email：hbhuang@suda.edu.cn

文震

本文通讯作者

苏州大学教授

▍主要研究领域

(1)纳米传感材料：杨氏模量梯度材料、液态金属/导电高分子材料、离子电活性聚合物材料；(2)柔性传感器件：摩擦电触觉传感器、柔性MEMS传感器、有机/聚合物场效应晶体管；(3)智能传感系统：可穿戴生理信号监测系统、电池热失控预警系统、无线无源传感系统。

▍主要研究成果

苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、院长助理，主要从事纳米传感材料、微纳传感器件、智能传感系统等方面研究。以第一/通讯作者发表学术论文130余篇，总引用18000余次，h因子76，获授权发明专利39项，其中12项已转让。主持国家重点研发计划课题2项等，入选江苏省高层次人才“333工程”、江苏省优青、江苏省青托、江苏省科技副总、全球前2%顶尖科学家榜单(终身榜)等，荣获2024年中国商业联合会科学技术发明奖、2025年MINE青年科学家奖等；目前担任Nano Energy编辑、MINE期刊青年编委。

Email：wenzhen2011@suda.edu.cn

周赟磊

本文通讯作者

西安电子科技大学菁英副教授

▍主要研究领域

主要从事可植入材料与电子器件，柔性传感器方面的研究。

▍主要研究成果

西安电子科技大学杭州研究院/机电工程学院菁英副教授， 担任Rare Metals学术副主编， Green Technologies and Sustainability期刊副主编，Soft Science期刊编委等。

Email：zhouyunlei@xidian.edu.cn