天津科技大学植物资源精细化工与化学团队在木质素功能材料领域研究取得进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院植物资源精细化工与化学团队在木质素功能材料领域研究取得进展，相关论文以“Lignin-based encapsulation of liquid metal particles for flexible and high-efficiently recyclable electronics”为题发表在材料领域知名期刊《Advanced Functional Materials》。该论文第一作者为天津科技大学2021级硕士研究生郑勇，天津科技大学轻工科学与工程学院教师戴林和司传领为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者单位和通讯作者单位。

室温液态金属（RTLMs）具有出色的形状重构能力，是柔性电极、传感器和能源设备的理想选择。但由于较大的表面张力和较弱的粘附性，传统液态金属图案化工艺较为复杂，难以实现快速回收及二次成型。

为解决上述问题，戴林、司传领团队充分挖掘木质素天然结构特性，以工业碱木质素为原料，开发了一种绿色且简单的液态金属封装体系，该体系可稳定、均匀的分散并包裹共晶镓铟合金（EGaIn）。木质素封装的EGaIn颗粒具有良好的稳定性，可通过圆珠笔书写在多种基材表面。得到导电轨迹的电阻在弯曲和扭转条件下几乎没有变化。更重要的是，利用木质素“碱溶酸沉”特性，该体系可以实现液态金属的快速、高效回收及快速再生。这些特性使得制备过程十分环保，并在柔性传感器、瞬态电路和其他领域得到应用。

图1. 期刊封面

图2. 木质素包裹EGaIn制备过程以及书写、辊压处理和瞬态电路回收的过程。

该工作采用工业木质素作为原料，通过自上而下的方法将液态金属分散为纳米颗粒，同时木质素在EGaIn表面上自组装形成外壳，稳定液态金属纳米颗粒。木质素封装EGaIn易于图案化，经辊压处理实现良好的导电性能。

图3. 木质素包裹EGaIn颗粒的表征。

通过XPS和红外等实验表征手段，证实了木质素附着于EGaIn表面，木质素外壳约12nm，且粒子直径可通过调整超声时间进行调控。

图4. 木质素封装EGaIn“墨水”图案化。

木质素封装EGaIn可以通过简单的方法进行图案化，图案化过程适用于硬质和软质等多种基材上实现，且可以得到十分复杂的图案，图案轨迹经辊压处理后表现出良好的导电性能。

图5. 木质素封装EGaIn印刷电路的电学性能及传感性能。

以这种方法得到的导电轨迹电性能在弯曲和扭转（720°）条件下几乎没有变化，打印得到的柔性电容式传感器可表现出良好的传感性能，体现了其在柔性传感领域良好的应用前景。

图6. 木质素在乙醇和NaOH水溶液中理论构型的分子动力学模拟。

研究进一步通过分子动力学模拟等方法，分析了木质素在乙醇溶液和NaOH水溶液中的相互作用。结果表明，约70%的木质素构型在乙醇溶液中表现出分子内π-π堆积相互作用，而几乎100%的木质素在NaOH-水溶液中表现出伸展构型。

图7. a.木质素封装EGaIn的循环制备及长期稳定性。b. 乙醇和氢氧化钠水溶液中EGaIn和木质素界面的结构模型。

木质素封装EGaIn表现出良好的回收再生性能，经十次循环后体系依然稳定，制得的颗粒外观和粒径没有明显变化，且在制备100天后仍然能够成功回收EGaIn。DFT计算木质素和EGaIn的界面吸附能结果表明，在乙醇和氢氧化钠水溶液中EGaIn与木质素模型的吸附能分别为-1.44 eV和-0.98 eV，即EGaIn在NaOH水溶液中对木质素的吸附稳定性低于在乙醇中的吸附稳定性。

图8. 基于木质素封装EGaIn“墨水”制备瞬态电路。

为展示该技术的实用性，作者以木质素封装液态金属为“绿色墨水”设计了一种水触发的柔性瞬态电路，可根据水位顺序关闭LED灯阵列，并从溶解的电路中回收了约96.9%的EGaIn。显示了木质素封装EGaIn广阔的应用潜力。木质素封装EGaIn具有易于制备、易于图案化、绿色环保、可回收等多方面的优势，能够有效实现柔性传感，其高效的回收效率为电子垃圾回收提供了有效思路。

原文链接：

https://.wiley.comonlinelibrary/doi/10.1002/adfm.202310653

编辑：田珺