天津科技大学司传领/朱礼玉/王冠华/徐婷AM封面文章:木质纤维素/液态金属复合材料的功能化设计及调控策略

液态金属凭借其自愈合、良好生物相容性、优异流动性以及粘附性等多功能特性在柔性电子、生物医学和储能材料等前沿研究领域快速兴起。然而，液态金属在实际应用过程中也面临着表面易氧化以及流动性难精确控制等诸多挑战。因此，需要对液态金属的不同特性进行精确调控，以实现更高效的应用性能调控。木质纤维素中丰富的羟基、羧基和其他极性基团能够与液态金属形成强化学键，从而增强复合材料的润湿性、粘附性和界面相容性。在复合材料体系中，木质纤维素的作用不仅局限于充当支撑基质，还具有灵活的功能可调性，能够根据不同的应用需求，对复合材料的微观界面和结构进行优化。通过这种定制化操作，复合材料能够弥补单一液态金属材料的不足，并充分发挥木质纤维素以及液态金属的优势，更好地适应多样化的应用场景，具有广泛的应用潜力。在该工作中，天津科技大学司传领、朱礼玉、王冠华和徐婷教授对木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控做了全面和系统研究。文章首先对液态金属的理化特性进行了系统梳理，然后详细分析了木质纤维素调控液态金属的优势和特点，重点阐释了3D打印、封装、共混等功能化的调控策略。此外，该工作还详细讨论了木质纤维素/液态金属复合材料在柔性传感、储能以及光热转换领域的最新应用。最后，对木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控面临的挑战与未来发展前景做了充分展望，为木质纤维素/液态金属复合材料在前沿领域的应用提供了新视角。该成果以题为“Lignocellulose-Mediated Functionalization of Liquid Metals toward the Frontiers of Multifunctional Materials”发表在《Advanced Materials》（中科院一区，影响因子27.4）2025年第37卷12期，并被遴选为封面文章（图1）。天津科技大学2023级博士研究生李威为该论文第一作者，司传领、朱礼玉、王冠华以及徐婷教授为通讯作者，天津科技大学为唯一单位。

图1.论文被遴选为《Advanced Materials》封面文章

研究内容

1. 木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控发展历程

木质纤维素是一种广泛存在于植物细胞壁中的天然聚合物复合体，具有优异的机械强度、热稳定性和生物相容性等特征。木质纤维素可以通过多维度的物理/化学反应调控液态金属的微纳结构、表面特性和界面动力学。同时，木质纤维素的网状结构还可以限制液态金属的流动性，有利于形成稳定的微分散结构，从而增强复合材料结构稳定性。而液态金属的优异导热性和电磁屏蔽性能也可以赋予木质纤维素基底新的功能。这种双向调控的方法拓宽了木质纤维素/液态金属复合材料的潜在应用。因此，木质纤维素作为一种天然高分子材料，其独特的结构和特性为有效调控液态金属提供了可行的途径，有助于实现复合材料性能的精确设计和工程控制，进而开发出满足不同应用需求的高性能功能复合材料（图2）。

图2.木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控的发展历程

2. 液态金属的理化特性

液态金属独特的物理化学性质使其在柔性电子、生物医学和储能等领域有广泛应用（图3）。然而，液态金属材料的表面易氧化以及对液态金属流动性的精确控制等在实际应用过程中也面临着挑战。利用微流体技术、超声波处理等手段可以精确调控液态金属的流动性和分散性，从而实现更高效的应用性能调控（图4）。

图3. 液态金属的理化特性

图4.液态金属的功能化调控策略

3. 木质纤维素调控液态金属的优势

木质纤维素是一种丰富且可再生的绿色生物质资源。木质纤维素调控液态金属的优势在于其丰富的极性基团能够与液态金属表面形成强化学键，从而增强润湿性和粘附力，提高界面相容性（图5）。作为支撑基质，木质纤维素通过物理和化学方法优化复合材料的微结构，从而适应不同应用需求。具体而言，木质纤维素的网状结构能够限制液态金属的流动性，形成稳定分散结构，从而增强尺寸稳定性和形状保持性。作为天然聚合物，木质纤维素具有生物相容性和环境友好性，符合可持续发展要求。这些优势使木质纤维素调控的液态金属复合材料在电磁屏蔽、柔性传感、能量存储等领域具有广泛应用前景。

图5. 木质纤维素的理化特性

4. 木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控

目前，基于木质纤维素调控液态金属的方法可分为3D打印、封装、共混和交联聚合等（图6）。这些功能化调控策略可以用于构建具有不同微纳结构和形貌的木质纤维素/液态金属复合材料，从而极大拓展了木质纤维素/液态金属复合材料的前沿应用空间。

图 6.木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控策略

5. 木质纤维素/液态金属复合材料的功能化应用

作为一种新兴的多功能材料，木质纤维素/液态金属复合材料以其独特的流体和金属性质，不仅衍生出许多丰富的物理化学性质，而且为现代材料科学的发展提供了广阔的研究空间。本章节系统讨论了木质纤维素/液态金属复合材料在电磁屏蔽、柔性传感和能量存储等领域的应用（图7）。首先介绍了木质纤维素调控液态金属复合材料在电磁屏蔽领域的应用，其内部构建的连续导电网络赋予了材料高导电性，这一特性是提高电磁屏蔽效率的关键；其次，阐述了其在柔性传感器领域的应用，基于其柔韧性，材料能够适应各种复杂的形变，而良好的导电性则确保了传感器对外部物理量变化的高灵敏度响应；接着，描述了这些材料在能量存储设备中的应用，其特殊的结构和性能有助于提高能量存储设备的充放电效率、循环稳定性和能量密度；最后，概述了木质纤维素/液态金属复合材料在光热转换领域的应用，液态金属和木质纤维素协同作用，能够高效吸收光能，并将其转化为热能。这种优异的光热转换能力使得该复合材料在太阳能利用、光热治疗等领域具有广阔的应用前景，为解决能源和医疗领域的相关问题提供了新的思路和方法。

图7.木质纤维素/液态金属复合材料的功能化应用

结论与展望

图8.木质纤维基/液态金属复合材料在未来应用中可能面临的挑战及其解决方案

本文系统讨论了木质纤维素/液态金属复合材料的功能化调控策略以及未来可能面临的挑战及其解决方案。虽然目前这种复合材料在材料的制备工艺，结构设计以及终端应用等方面还有提升的空间（图8），但随着对木质纤维素/液态金属复合材料调控技术的进一步深入研究以及新应用不断涌现，相信这些复合材料的应用前景将更加广阔，有望在更多领域替代传统材料，推动相关产业的升级换代。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202415761

作者简介

李威 ，天津科技大学 2023 级博士研究生。主要研究方向为木质素衍生功能材料在储能以及光热领域的应用。获中国商业联合会科技进步一等奖、国家留学基金委资助项目、天津科技大学优秀博士学位论文创新资助项目、天津科技大学硕士研究生优秀学位论文、天津科技大学研究生 “ 十佳学术之星 ” 、两次获得研究生国家奖学金等荣誉。目前以第一作者在 Advanced Materials 、 Advanced Energy Materials 、 Carbon Energy 、 Nano Energy 等期刊发表论文 10 余篇（其中 ESI 高被引论文 7 篇， ESI 热点论文 1 篇，封面论文 2 篇）。申请 / 获授权发明专利 4 项（其中授权国际专利 2 项）。

朱礼玉，天津科技大学讲师。主要从事木质纤维素化学和纸基功能材料的相关研究。受邀担任高水平学术期刊《Research》和《Rare Metals》青年编委。目前以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials等期刊发表论文20余篇。研究成果获2024年中国商业联合会科技进步一等奖、2024年SGCE青年研究奖、2023年北京膜学会杰出青年成果奖等荣誉。

王冠华，天津科技大学轻工学院及生物基纤维材料全国重点实验室特聘教授，研究员，博士生导师，主要研究方向为木质素化学及功能利用。入选天津市青年人才托举工程，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才，天津市青年科技人才科技成果孵化转化PLUS培育计划，2024年度全球前2%顶尖科学家榜单，获天津市优秀青年科技工作者及全国创新创业优秀博士等荣誉称号。先后获批国家自然科学基金面上/青年基金，天津市自然科学基金重点项目等国家及省部级项目；以第一或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Materials、Advanced Energy Materials和Coordination Chemistry Reviews等高水平期刊发表论文70余篇，其中，ESI热点/高被引论文8篇，封面论文6篇；授权发明专利12项，主持制订团体标准1项。研究成果获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。

徐婷，天津科技大学轻工学院及生物基纤维材料全国重点实验室教授、博导、德国洪堡学者、国家高层次青年人才、中国科协青年人才托举工程（中科协资助）入选者、中国未来女科学家计划候选人。2020年于北京化工大学获博士学位，同年入职天津科技大学。任《eScience》《Innovation》《Advanced Fiber Materials》《Rare Metals》等SCI收录中科院一区期刊及《中国造纸》《中国造纸学报》《林业工程学报》等中文核心期刊（青年）编委。研究方向包括纸基先进功能材料、纤维素纳米材料的可持续制备及先进纳米生物质复合材料等。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中央引导地方科技发展项目、天津市自然科学基金重点项目、企业横向项目等10余项。以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Energy Storage Materials等学术期刊发表论文40余篇（其中ESI高被引论文24篇、封面论文15篇）。申请/获授权发明专利11项（授权国际专利4项），制定行业标准1项。入选美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”，先后获国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、美国工程化科学协会青年研究员奖等。

司传领，天津科技大学轻工学院及生物基纤维材料全国重点实验室教授、博导、科技处副处长、全国青联委员。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、国家林草局科技创新领军人才、天津市有突出贡献专家、天津市特聘教授、天津市科技创新领军人才等。入选ScholarGPS全球前0.05%顶尖科学家、科睿唯安“全球高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”、美国斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”终身科学影响力和年度科学影响力榜单、Bentham Ambassador等。主要从事制浆造纸及生物质资源高值化利用方面的教学研究工作。以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表论文200余篇（被引用>2.1万次，个人H指数77），授权国内外发明专利50余项。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部、人社部、天津市重点研发计划、企业委托课题，研究成果获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖、国家林草局梁希林业科技进步奖、中国商业联合会科技进步奖、中国轻工联合会科技进步奖、中国产学研合作促进会产学研合作创新成果奖等。