一、研究背景与挑战
1.传统碳海绵局限：依赖石墨化纳米材料（如碳纳米管、石墨烯），合成能耗高且环境负担重。木材虽为可再生碳源，但传统方法制备的木碳海绵存在密度高（34.42 mg/cm³）、孔隙率低（<95%）、弹性不足等问题。
2.技术瓶颈：木质素与半纤维素的刚性限制细胞壁变形，碳化过程中体积收缩进一步降低性能。
二、“剥离 - 膨胀 - 碳化” 策略
步骤
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关键操作 |
目标与效果 |
| 剥离 |
用 NaClO₂和 NaOH 去除 > 90% 木质素、50% 半纤维素 |
软化细胞壁，形成层状纤维素骨架，密度从 120.11 降至 46 mg/cm³，孔隙率提升至 96.93% |
| 膨胀 |
真空辅助气泡扩张（真空度 15 kPa， degassing 速率 0.18 kPa/s） |
体积膨胀 96.15%，层间距从 50-150 μm 扩大至 80-200 μm，密度降至 22.79 mg/cm³ |
| 碳化 |
900°C 氩气氛围碳化 |
形成波浪形层状结构，密度最终达 14.18 mg/cm³，具备导电性（0.004-0.053 S/cm） |
三、材料结构与性能
微观结构：
膨胀后层间距扩大，碳化后形成曲率更高的波浪形层状结构，增强变形能力与能量耗散。
XRD 与拉曼光谱证实部分石墨化，HR-TEM 显示 0.35 nm 晶格间距，赋予导电与导热性。
机械性能：
超弹性：80% 压缩应变下可完全恢复，1000 次循环后应力保持率 91.69%，能量损失系数从 0.35 降至 0.16。
温度稳定性：-196°C（液氮）与 500°C（火焰）下仍保持弹性，无永久变形。
四、多功能应用
压力传感器：
灵敏度：0-3 kPa 时 S=0.31 kPa⁻¹，40 kPa 时 S=0.003 kPa⁻¹，响应时间 60 ms，5000 次循环后信号稳定。
应用场景：监测面部表情、手指弯曲、膝关节运动等生物信号。
电磁屏蔽（EMI）：
压缩应变0-80% 时，屏蔽效能从 16.28 dB（无效屏蔽）提升至 72.58 dB（高效屏蔽），可作为可调式屏蔽材料。
油水分离：
疏水化处理：PDMS 涂层后接触角 151°，吸收容量 10-20 g/g（如二氯甲烷 19 g/g），6 次循环后效率保持 95%。
焦耳加热辅助：15 V 电压下表面温度达 170.9°C，可快速吸收高粘度原油（60 s 内渗透）。
五、结论与展望
创新点：通过细胞壁分层重构，实现轻量化（密度< 15 mg/cm³）与超弹性的协同优化，工艺绿色且木质素可回收。
挑战：当前仅适用于低密度木材（如巴尔沙木），未来需通过TEMPO 氧化等方法拓展至硬木。
关键问题
Q：“剥离 - 膨胀 - 碳化” 策略的核心创新是什么？
A：核心创新在于通过物理方法重构木细胞壁结构：先剥离木质素与半纤维素软化细胞壁，再利用真空辅助气泡扩张形成层状结构，最后碳化固定多孔架构。该策略突破传统木材碳化的体积收缩与刚性限制，使密度降至14.18 mg/cm³，同时保留80% 压缩应变下的超弹性。
Q：EWCS 在极端环境下的性能表现如何？
A：EWCS 具备温度不敏感超弹性：在- 196°C（液氮）和 500°C（酒精火焰）环境下，承受 80% 压缩应变后仍能完全恢复形状，且应力 - 应变曲线无显著变化。这得益于碳化后碳骨架的热稳定性与波浪形层状结构的抗变形能力。
Q：EWCS 在油水分离应用中的优势是什么？
A：EWCS 的定向大孔结构（层间距50-180 μm）与导电性赋予其双重优势：疏水化后可快速吸收水面（正己烷）与水底（二氯甲烷）的液体，吸收容量达10-20 g/g；通过施加电压（如10 V）实现焦耳加热，可降低高粘度原油（如室温下粘稠原油）的粘度，60 秒内完成快速吸收，且重复使用 6 次后效率保持 95%
图解
a） 传统木碳海绵和膨胀木碳海绵的制造过程示意图。b） 海绵原位膨胀机理示意图。
a） NW、b） WS、c） EWS 和 d） WCS 和 e） EWCS 的光学照片和横截面（z-x 平面）SEM 图像。f） 体积膨胀比 （ΔV/V 0 ），V 0 表示 NW 的体积。g） 文献中 NW、WS、EWS、WCS、EWCS 和来自木材或纤维素的碳气凝胶/海绵的密度。h） WS 和 EWS 的 XPS 光谱。i） XRD 图谱，j） 拉曼光谱和 k） EUCS 的高分辨率 TEM 图像。
a） WS、b） EWS 和 c） EWCS 不同应变下压缩释放的应力-应变曲线。d） EWCS 的压缩和恢复照片，显示出高压缩性和弹性。e） EWCS 在不同加载速度下压缩-释放的应力-应变曲线。f） 40% 应变下的 1000 次循环的压应力-应变曲线。g） 40% 应变下 EWCS 的应力保持和能量损失系数（1-1000 次循环）。h） 塑性变形和应力保持与其他报道材料的比较。i） EWCS 在液氮和醇火焰中的压缩和回收过程。j） EWCS 在不同压缩应变下的电导率。
a）压力增加时传感器的ΔR/R 0。b） 响应和恢复时间。c） 传感器在40%应变下的5000次加载-卸载循环期间的电阻响应。d）EWCS作为用于人体生物信号检测的可穿戴压力传感器的相对电阻变化的示意图和实时响应曲线。e） 显示疏水性EWCS在水面上吸收正己烷（染成橙色）和在水中吸收二氯甲烷（染成红色）的照片。f） 疏水性EWCS对各种有机溶剂和油的吸收能力。g） 疏水性EWCS对二氯甲烷的循环吸收能力。h） 疏水性EWCS在不同施加电压下的表面温度变化和红外热成像图像，显示15 V电压下的温度变化。i） 疏水性EWCS在没有电压和10 V电压的情况下吸收原油。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202504980
