奈米碳材料，如石墨烯和碳奈米管，因其輕質、高導電、易加工、熱穩定、化學穩定等特性，正廣泛應用於可穿戴電子裝置。然而，目前奈米碳材料的碳源主要是石油或煤炭等化石原料，碳源獲取和材料製備的過程具有高能耗、高溫室氣體排放、高汙染等特點。
可再生的生物高分子，如纖維素、、殼聚糖、絲素蛋白等，有望成為奈米碳材料的新興“綠色碳源寶庫”。每年自然界生成的纖維素達1.5萬億噸，甲殼素達1000億噸，木質素達10億噸，發展這些生物高分子的碳化方法，不僅有望降低生產能耗，減少有害排放，還具有明顯的經濟潛力。更令人興奮的是，各類生物高分子獨特的元素組成和精巧的生物結構可為衍生的碳材料在可穿戴應用上發揮新奇的作用。近年來，人們基於生物高分子碳化技術，已成功製備出具備獨特導電性、機械效能和電化學活性的生物高分子基衍生碳材料（BioCMs），這為可穿戴電子的創新發展提供了新的機遇。這些BioCMs甚至在某些效能上超越了傳統的合成碳材料，展示了巨大的應用潛力。
近日，清華大學張瑩瑩教授課題組發表綜述論文，論述了多種生物高分子基衍生碳材料（BioCMs）的碳化轉化機制，討論了各種碳化方法的特點，並總結了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴電子領域的應用。主要內容包括四個部分。首先介紹了在可穿戴電子中四種應用最廣泛的生物高分子的碳化轉化機制，包括纖維素、木質素、甲殼素和絲素蛋白，分析了它們在分子層面上的轉化過程；接著討論了不同碳化技術對所形成的碳材料的形態特徵和效能的影響，並討論了針對不同的應用需要如何選擇合適的碳化過程；隨後探討了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴裝置中的應用，包括物理訊號感測器、化學訊號感測器、能源儲存與管理器件以及顯示器件；最後討論了該領域當前存在的主要挑戰和未來的發展方向。
圖1 典型的生物高分子、碳化方法及所得生物高分子基衍生碳材料在可穿戴電子裝置中的應用
生物高分子的碳化過程涉及在高溫下去除有機材料中大部分非碳元素，並重新排列碳原子，該過程包括一系列複雜的物理和化學反應。元素演變方面，碳化過程一般經歷脫水、降解、芳構化和石墨化，其中氫、氧和氮原子以小分子的形式釋放出來。氧原子通常與碳或氫原子結合蒸發，從而對碳材料產生腐蝕效應，而氮原子則會與碳原子在石墨晶格位置上產生競爭。分子結構演變方面，生物高分子中固有的芳香環、sp 2雜化碳和密集的結晶區域可以作為碳化過程中高度有序結構的前驅體。因此，不同生物高分子的碳化過程涉及不同的轉化過程和最佳化溫度，進而產生不同的碳化產物。
圖2 纖維素、木質素、甲殼素和絲素蛋白的元素組成、碳化前後分子結構演變示意圖，以及隨著溫度升高時生物高分子的典型結構演化過程
碳化方法直接影響所得生物高分子基衍生碳材料的形態、導電性、電化學活性等，進而決定其潛在應用。碳化過程可分為結構繼承型碳化和結構重組型碳化。前者在碳化過程中保留生物高分子的結構，而後者則重塑其結構。本綜述具體闡述了熱解碳化、鐳射誘導碳化、焦耳熱碳化、水熱碳化和鹽封碳化等常見碳化方法。
圖3 生物高分子基衍生碳材料的形態和碳化方法概述
生物高分子基衍生碳材料的形態多樣性、導電性、穩定性、電化學活性、可加工性和輕質特性，使其廣泛應用於可穿戴電子裝置中。由sp²雜化碳組成的石墨化區域使得生物碳材料能夠作為熱穩定性強且耐腐蝕的柔性碳電極；生物高分子基衍生碳材料在發生形變或溫度變化時，導電性的變化使其能夠作為可穿戴的物理訊號感測器。生物高分子中的固有雜原子賦予了生物高分子基衍生碳材料電化學活性，使其能夠用於可穿戴化學感測器。此外，高度石墨化而導電性優良的生物高分子基衍生碳材料可作為可穿戴顯示器件中的柔性發光電極，而芳構化的生物碳量子點則可以作為發光材料。本綜述概述了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴物理訊號感測器、化學訊號感測器、能源器件和顯示器件中的應用。
圖4 生物高分子基衍生碳材料在可穿戴裝置領域的應用
儘管生物高分子基衍生碳材料在可穿戴電子領域具有巨大潛力，但仍面臨一些挑戰，限制了其廣泛應用和商業化。這些挑戰包括如下方面：1) 製備和加工：碳化過程較為複雜，往往需要高溫和惰性氣氛條件，需要發展節能的碳化技術。2) 結構與效能：天然生物質材料往往包含多種生物高分子，均一性和可控性較差，同時轉化時不易形成大面積連續的sp²雜化石墨化區域，導致其電導率較低。因此，如何提升生物高分子基衍生碳材料的導電性同時保持其柔性和生物相容性仍需創新的材料加工方法。3) 實際應用：將生物高分子基衍生碳材料與其他電子元件整合在可穿戴裝置中，需要發展與現有技術相容的加工技術方法；另外，儘管生物高分子基衍生碳材料比較環保，還需要考慮其生命週期結束後的處置和回收。克服這些挑戰並充分的發揮生物高分子基衍生碳材料的潛力，無疑需要多學科的交流和合作，包括材料科學、化學、電氣工程、環境科學以及生命科學、醫學、人工智慧等。探索更多的生物質和生物高分子來源、提高碳化技術的效率、擴大生產規模並確保通用性、挖掘獨特的應用場景，對生物高分子基衍生碳材料的商業化應用至關重要。透過跨學科的協作，生物高分子基衍生碳材料有望在可穿戴電子材料領域扮演不可或缺的重要角色。
該文以“Biopolymer-Derived Carbon Materials for Wearable Electronics”為題發表於Advanced Materials雜誌的“Emerging Sustainable Biopolymer Materials”專刊, 清華大學化學系博士生金炯克為該文的第一作者。
來源：高分子科學前沿
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