木質纖維素調控液態金屬構建多功能復合材料的研究進展

摘 要： 木質纖維素調控液態金屬作為新興的功能材料，在各種應用中顯示出巨大的潛力。木質纖維素中豐富的羥基、羧基等極性基團與液態金屬表面形成強化學鍵，可顯著提升界面潤濕性和黏附性，同時優化微觀結構定向調控能力，為柔性傳感、光熱轉換等功能化應用領域提供創新解決方案。本文系統綜述了木質纖維素調控液態金屬制備功能材料的最新研究進展，重點分析了液態金屬的結構特點，纖維素、木質素等不同木質纖維素組分調控液態金屬的功能化策略；探討了復合材料在柔性電子領域作為柔性傳感基底的潛力，及其通過光熱響應特性實現能量轉換在太陽能界面蒸發等領域的應用，并對未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：木質纖維素；液態金屬；復合材料；儲能；光熱材料

中圖分類號：TS7 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 002

液態金屬 （liquid metals，LM） 作為一種新興前沿材料，因其優異的流動性、導電性、可拉伸性、自愈能力和生物相容性等特性，在電化學儲能、印刷電子器件、光熱轉換材料和 3D 打印等多個領域顯示出廣泛的應用潛力[1-3]。然而，LM 存在結構不穩定、易氧化等問題，導致其在特定應用場景中存在風險，如高流動性可能引起電子器件短路，高表面張力可能影響復合材料的潤濕性，以及整體材料成本相對較高等[4]。面對這些挑戰，國內外研究人員積極開展 LM功能材料的性能調控研究，旨在提升其在各個領域的應用價值和可靠性。

木質纖維素衍生材料因其多方面的功能特性和廣泛的來源，在 LM復合材料的構建中受到廣泛關注[5]。這些衍生材料展現出優異的機械強度、熱穩定性及生物相容性[6]。通過物理和化學手段，可以對 LM 的微觀結構、表面特性及界面動力學進行調控，以滿足特定應用的需求。更為重要的是，木質纖維素基材料富含羥基、羧基及其他極性官能團，能夠與 LM表面形成穩定的化學鍵，從而增強兩相之間的潤濕性和結合力，提高界面相容性，這種增強的界面相容性有助于提升復合材料的機械性能和界面穩定性。此外，部分木質纖維素基材料的網狀結構能夠有效限制 LM的流動性，促進形成穩定的微分散結構，進而增強尺寸穩定性和形狀保持性[7]。而 LM 出色的導熱性和電磁屏蔽性能則賦予了木質纖維素基材料新的功能[8]。這種量身定制的方法拓寬了木質纖維素基材料的潛在應用。因此，木質纖維素以其獨特的結構和屬性，為有效調控 LM提供了一條可行的途徑。木質纖維素調控LM 構建復合材料有助于實現復合材料性能的精確設計和工程控制，進而開發出能夠滿足多樣化應用需求的高性能復合材料。

鑒于木質纖維素在調控 LM 組裝行為方面的巨大潛力，有必要充分分析和總結這一過程的內在機制和制備策略。因此，本文旨在討論木質纖維素介導的 LM 復合材料在光熱、柔性傳感器和儲能等 領 域 的 最 新 進 展。首 先，強 調 了 LM 的 受 控 組裝以及木質纖維素調控策略對復合材料整體性能的影響；其次，建立不同形態和特定應用之間的相互聯系；隨后，從結構設計的角度評估了木質纖維素調控 LM 復合材料的性能。此外，本文還全面概述了木質纖維素調控 LM 復合材料開發的挑戰和發展方向，以期提高這一新興領域的性能和應用范圍。

1 液態金屬的結構特點

LM 憑借其卓越的電子導電性和可塑性，在柔性電子器件領域備受關注。然而，LM 表面絕緣氧化膜的形成對電化學反應的轉化形成了重大障礙，從而限制了其在電化學生物傳感器領域的應用。Lee 等[9]開發了一種基于鎵基液態金屬共晶鎵銦合金 （EGaIn）核殼結構的功能化電極，該電極通過組裝還原氧化石墨烯形成 EGaIn 殼核顆粒 （REG），可用于制備柔軟且可形變的電化學生物傳感器。基于EGaIn的還原特性，REG 可通過特定的取代反應進一步與金屬納米顆粒結合，從而實現對電極的功能化修飾。 REG 和具有金屬涂層的REG與EGaIn集流體具有很強的界面黏附力，在機械變形期間和機械變形后不會出現剝落現象。此外，集成可變形EGaIn電極的REG和金屬裝飾的電極均具有 REG 易于表面調節的優勢，表現出優異的電化學傳感性能，允許同時檢測抗壞血酸、多巴胺和尿酸，還可以利用酶法檢測葡萄糖。這項工作為利用 LM開發柔軟且可變形的電化學生物傳感器奠定基礎。

LM 在室溫下表現出非牛頓流體的特性，其表觀黏度隨剪切速率變化而動態調整。這一特性使 LM能夠在室溫條件下通過印刷等工藝被圖案化，進而形成柔軟且具有可拉伸性能的電導體和熱導體。Luo 等[10]提出了一種通過反應性潤濕機制將磁性 Fe 顆粒混合到 LM 中的策略。為了解決 Fe 顆粒和 LM 之間界面固有 的 非 潤 濕 性 ， 合 成 了 Fe@FeGa2O4 顆 粒 ， 其 中FeGa2O4作為 Fe 顆粒的外殼，以增強 Fe 顆粒和 LM 之間的相容性。此外，將 Fe@FeGa2O4顆粒混合到 LM中，增強了復合材料的流變性能，有效克服了 LM機械強度低的固有限制，并改善了 LM的磁、電和熱性能。炭黑也可以將LM微粒 （LMP） 互連以充當橋梁，從而賦予彈性體導電性。Singh 等[11]將 LMP 與炭黑結合在高度纏結的聚硅氧烷彈性體中，開發了一種可拉伸導電復合油墨，由于流體 LMP 的存在，LMP 分散的彈性體處于軟狀態，封裝彈性體的高度纏結分子網絡賦予了復合材料高拉伸性和柔軟度，其較長的適用期使油墨的流變調節成為可能，進而實現壓力驅動的直接印刷，且無涂抹痕跡。

2 木質纖維素/液態金屬復合材料

木質纖維素 （纖維素、半纖維素、木質素） 及其衍生材料具有多尺度結構可調、環境友好及功能協同的優勢[12-14]。在木質纖維素/LM 復合材料中，木質纖維素材料的天然多孔結構和高比表面積可有效穩定LM，防止其氧化聚集，同時賦予復合材料柔韌性、可降解性和生物相容性；而 LM的高導電性、導熱性及流動性則彌補了木質纖維素基材料的功能局限，形成動態界面增強效應。二者結合不僅可賦予復合材料導電/導熱、自修復、刺激響應等智能特性，還可顯著降低傳統復合材料對化石原料的依賴，在柔性電子、生物傳感和光熱轉換等領域展現出獨特潛力。

2. 1 纖維素/液態金屬復合材料

纖維素作為一種天然聚合物，具有高結晶度和良好的機械強度，其分子鏈中含有豐富的羥基，可以與LM 形成有效的界面相互作用，從而提高復合材料的力學性能和穩定性。LM顆粒可以用作水凝膠引發劑、功能填料和交聯劑。Rahmani 等[15]證明了纖維素納米晶體 （CNC） 在水溶液中穩定 LM 顆粒的作用。與使用傳統分子引發劑聚合的交聯聚丙烯酸 （PAA） 網絡相比，CNC包覆的 LM顆粒可引發自由基聚合，形成具 有 優 異 性 能 的 PAA 水 凝 膠 ， 其 拉 伸 應 變 可 達2 000%、韌性可達 1.8 MJ/m3，同時具有機械回彈性和高效自愈合性能。傅里葉變換紅外光譜、流變學和機械測量結果表明，PAA 與 Ga3+和 LM-CNC 顆粒之間的物理結合賦予了 PAA 水凝膠優異的機械性能。同樣地，Yang等[16]在酸性條件下，采用生物大分子 （羧甲基纖維素 （CMC） 和雙鍵功能化 CMC （CMC-AGE交聯劑）） 封裝的LM液滴作為第1個網絡，聚（丙烯酸-共丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨）（P（AA-co-DAC））作為第 2 個網絡，成功制備 LM 摻雜導電雙網絡水凝膠 （CMC/P（AA-co-DAC）/NaCl-LM）。 在 這 種 水 凝 膠中，2個相互穿插網絡之間的多重相互作用和協同效應確保了水凝膠的多功能性 （圖1）。因此，復合水凝膠表現出優異的機械性能 （拉伸應力 389.81 kPa，拉伸應變 2 866.44%） 和高電導率 （5.27 S/m）。這些特性對于纖維素調控的 LM復合材料在可穿戴傳感器、能量采集器和自供電離子觸摸面板等領域具有廣闊前景。

纖維素調控的 LM 復合材料除了在水凝膠領域被廣泛研究外，其在高性能復合薄膜領域的研究也備受關注。然而，如何設計和開發纖維素調控的多功能柔性 LM復合薄膜仍然是一個相當大的挑戰。為了解決以上問題，Yang等[17]采用真空輔助過濾和冷壓縮技術制備了一種具有對稱梯度結構的獨特電絕緣纖維素納米纖維 （CNF） /鈷鐵 （FeCo） /LM復合膜。該復合膜表現出優異的面內熱導率 （4.85 W/（m·K））和出色的體積電阻 （5.58×1011 Ω·cm）。CNF/FeCo/LM 復合薄膜的拉伸強度可達 56.28 MPa、斷裂伸長率為 21.47%、韌性為7.2 MJ/m3，這歸因于CNF與LM之間的相互作用，以及在層間形成的“之”字形斷裂路徑，有利于應力傳遞和能量吸收。同樣地，Li 等[18]使用 LM 和細菌纖維素 （BC） 依次橋接 MXene 納米片制備了一種強度較高的MXene薄膜 （LBM薄膜），LBM薄膜拉伸強度可達 908.4 MPa。使用重復刮刀涂層循環的逐層方法可將 LBM 薄膜的取向度提高至 0.935；而具有良好變形能力的 LM 可將空隙減少至孔隙率 5.4%。BC的氫鍵和 LM的配位鍵增強了界面相互作用，從而提高了應力傳遞效率。這些研究為設計具有電氣絕緣性能的高電磁屏蔽材料提供了一種可行的方法，對于在電子封裝中推廣使用CNF復合材料至關重要。

以上研究表明，纖維素調控 LM 制備復合材料具有纖維素來源廣泛、可生物降解的優點，用其包覆LM 納米液滴形成的二元分散體系，能解決 LM 穩定性問題，同時賦予復合材料多功能應用特性。然而，目前仍存在一定局限性，如 LM的表面張力強，導致其與纖維素基體的界面張力不匹配，難以保證均勻分散。未來可考慮引入無機材料對復合體系進行改性，通過 LM和無機材料之間的交叉機械化學作用，將復合材料調控成不同狀態，賦予其出色的熱力學和動力學穩定性以及可調節的特性。

2. 2 木質素/液態金屬復合材料

木質素作為自然界中分布最廣的多酚類化合物之一，占木質纖維素總量的 20%～30%。近年來，木質素固有的結構特性和優異的自組裝能力在多功能材料的研究領域引起了廣泛關注[19-20]。木質素含有大量的羥基、羧基以及雙鍵，這些官能團使木質素在納米分散劑和納米載體中有巨大的應用潛力[21-22]。木質素分子的酚羥基及芳香環結構能夠與 LM 表面形成氫鍵、配位鍵或其他類型的化學相互作用，進而實現對 LM的多功能調控。這種調控作用增強了木質素和 LM之間的界面結合，提高了復合材料的力學性能和穩定性。此外，木質素的 3D 網狀結構可用作增強相，提高復合材料的力學性能。

近年來，生物質包封 LM 復合凝膠智能材料，因其生物相容性和可持續性而備受關注，但其仍然無法同時具備韌性、黏附性和可恢復性等性能。因此，Wu等[23]利用木質素對LM的微界面穩定性制備出了同時具有韌性、自黏性和可恢復性的蛋白質包封 LM有機凝膠 （GLMx）（圖 2）。經木質素改性，LM 微滴在蛋白質基質中均勻分散，并且與肽鏈中的氨基酸殘基存 在 密 集 的 非 共 價 相 互 作 用 （如 氫 鍵 和 疏 水 相互作用），賦予了 GLMx 高導電性 （5.4 S/m）、韌性（738.2 kJ/m3）、 自 黏 性 （最 大 搭 接 剪 切 強 度 可 達58.3 kPa） 和 可 恢 復 性 。 同 樣 地 ， Luo 等[24]通 過2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧 （TEMPO） 氧化對木質素進行改性，在木質素表面富集了大量的羧基官能團。

TEMPO氧化木質素能夠與LM表面的氧化層產生離子鍵和靜電相互作用，從而包裹 LM防止其在聚合物基體中聚集。此外，木質素-LM混合物可使丙烯酸單體在室溫下無需額外引發劑直接聚合，從而制備導電水凝膠。這些水凝膠具有出色的自愈合、黏合、拉伸和抗菌性能，在柔性傳感器應用中還具有高應變傳感精度和穩定的電輸出。這些研究為制備適用于醫療保健、人機交互和太陽能轉換等多種應用的木質素調控LM復合材料開辟了道路。

木質素調控 LM 使整個復合材料的制備過程更加“綠色”，也使 LM 復合材料的應用更具可持續性。Qiao 等[25]采 用 無 溶 劑 球 磨 法，通 過 木 質 素 磺 酸 鹽（LS） 對 EGaIn 的 界 面 包 覆 作 用 ， 成 功 制 備 了LS@EGaIn 納米微滴。通過調節球磨頻率和研磨時間，可獲得粒徑lt;200 nm的均勻LM納米微滴。此外，由于Ga2O3和LS之間形成的氫鍵，EGaIn表面被LS分子覆蓋，親水的LS賦予了LS@EGaIn納米微滴在水介質中優異的膠體穩定性。LS@EGaIn 的引入顯著提升了水凝膠的力學性能，其斷裂伸長率與強度同步增強，同時賦予材料優異的導電性和應力響應穩定性，在柔性應力傳感器及可穿戴設備等領域展現出應用潛力。類似地，Zheng 等[26]開發了一種綠色且簡便的利用工業木質素封裝EGaIn方法，可實現穩定、均勻和可重復的 EGaIn圖案化。木質素封裝的 EGaIn顆粒具有良好的穩定性，可以用簡單的圓珠筆在各種基材的表面上形成圖案。在彎曲和扭轉 （720°） 條件下，導電軌道的電阻幾乎沒有變化。經過分子動力學模擬與密度泛函理論計算聯合驗證，得到木質素封裝的系統容 易 溶 解 和 再 生 的 結 論 。 EGaIn 的 高 效 回 收 率（96.9%） 保障了制備過程環保，為其在柔性傳感器與瞬態電路等領域的實際應用奠定基礎。

綜上所述，木質素作為天然生物高分子材料，其豐富的酚羥基結構可通過配位作用穩定 LM，不僅可以抑制 LM氧化和團聚，還能賦予復合材料可降解性和界面相容性；其次，木質素的剛性骨架與柔性 LM的協同作用可以增強復合材料的機械性能，拓展了其在柔性電子、自修復材料等領域的應用。然而，當前木質素調控 LM制備復合材料具有局限性，包括木質素/LM 界面作用機制不明確導致分散不均，高溫下LM 流動性引發的結構不穩定，以及木質素的異質性影響復合材料的性能穩定。因此，未來可通過化學改性 （如磺化、接枝共聚） 調控木質素表面官能團以增強界面結合力；引入動態共價鍵或納米限域結構提升復合材料的高溫穩定性；建立木質素分級純化工藝并結合原位表征技術優化木質素/LM復合機制。

2. 3 半纖維素/液態金屬復合材料

半纖維素是一種天然存在的多糖，通常與纖維素和木質素共同存在于植物細胞壁中[27]。半纖維素中的羥基能夠與 LM 表面形成氫鍵或其他類型的相互作用，增強二者之間的界面結合，從而提高復合材料的機械性能和穩定性。其次，半纖維素的分子鏈在溫濕度變化下具有良好的柔韌性，這種柔韌性可以有效分散 LM，提高材料的均勻性和整體性能。Shi等[28]通過剪切混合將由75%的鎵和25%的銦組成的塊狀EGaIn轉化為微滴，進而引發丙烯酰胺單體聚合，制備聚丙烯酰胺-半纖維素/EGaIn 微滴水凝膠，隨后將其應用于 3D 打 印 鋅 離 子 電 池 的 自 立 式 支 架 和 陽 極 主 體（圖 3）。初始化的水凝膠構成了一種雙共價氫鍵體系，該體系具備自愈合能力和剪切稀化特性，對 3D打印技術非常有利。在半纖維素復合網絡中，LM 微液滴均勻分布，有效防止了因 LM液滴流失而引起的電池短路問題。此外，該水凝膠作為一種導電和離子導電的微孔基質，能夠支持鋅離子的各向同性沉積，形成穩定的陽極主體結構。這一結構能夠在鋅離子的可逆鍍層/剝離過程中承受微觀結構的變化，展現出優異的穩定性。

富含纖維素的紙張是一種柔韌、廉價、應用廣泛且環保的材料，能夠與多種導電材料 （如石墨烯、碳納米管、銀納米線和 MXene 納米片） 復合，可用于制造可穿戴超級電容器、可拉伸導體和個人熱療設備等下一代可穿戴電子設備。然而，由于這些導電填料本身具有剛性，在使用過程中可能會削弱紙張的柔性和韌性。鑒于市場對輕便、薄型、環保及生物相容性設備的需求，開發不犧牲機械性能的纖維素基紙質電子器件至關重要。為此，Wang 等[29]開發了一種半纖維素捕獲策略，以制備高強度、有韌性的 LM 紙張。結果表明，半纖維素保留率約為 20% 的全纖維素納米原纖維可有效地將納米級 LM 捕獲在原纖維網絡內，類似于蜘蛛絲捕獲小水滴。在片狀 LM紙張抄造過程中，可以避免 LM 的相分離和納米原纖維的聚集。納 米 級 LM 的 均 勻 分 布 消 除 了 LM 紙 張 損 傷，可 顯 著 提 高 機 械 性 能 （拉 伸 強 度 240 MPa，韌 性16.5 MJ/m3）。所得半纖維素-LM紙張可被折疊成各種形狀 （如船或折紙鶴），并且能有效支撐高達 10 N（重力加速度取 10.0 N/kg） 的負載。相比之下，缺乏半纖維素的納米纖維素抄造的 LM 紙張較脆弱，向LM 紙張中加入少量碳納米管，可使 LM 紙張具有低電 壓 驅 動 的 焦 耳 熱 性 能 ， 具 有 出 色 的 發 熱 能 力（4.0 V時為 200 ℃），超越了 LM基彈性體、薄膜和紡織品。

綜上所述，半纖維素的羥基和親水性骨架可通過氫鍵、靜電作用及配位效應有效分散并穩定 LM。此外，半纖維素的多孔結構和柔性鏈段可以與 LM的流動性相協同，增強材料的柔韌性和功能可調性，使其廣泛應用于柔性傳感器和生物電子等領域。半纖維素在調控 LM制備復合材料時面臨的主要挑戰包括材料本身較低的機械強度和熱穩定性，這使其在高溫條件下易發生分解，導致復合結構破碎。同時，由于半纖維素的來源和提取工藝不同，其分子質量分布不均一，影響材料性能的一致性。為了應對以上挑戰，可通過酯化、醚化或交聯改性等方法來增強半纖維素的熱穩定性和界面結合力，開發分級提取和標準化純化技術，并結合原位復合工藝來優化界面相容性。

3 木質纖維素/液態金屬復合材料的應用

基于木質纖維素材料調控的 LM 復合材料作為一種新型多功能材料，憑借其獨特的流體和金屬特性，不僅展現出多樣的理化性能，還為現代材料科學技術的進步提供了巨大的研究潛力。為了深入理解木質纖維素基材料調控 LM 制備多功能復合材料的理化性能，并拓展其在不同領域的交叉應用，本節全面綜述了木質纖維素基材料調控的 LM復合材料在各領域的多樣化應用。

3. 1 柔性傳感

LM 兼具金屬的導電特性和在室溫下保持液態流動的能力，被認為是紙基柔性電子設備中的理想導體。但由于 LM表面張力高且與紙張親和力有限，實現其精確圖案化面臨重大挑戰。氧化木質素 （OL）由堿木質素 （AL） 經臭氧氧化制備而成，表面含有大量酚羥基和羧基，能黏附在 LM表面，具有良好的自組裝性能。因此，Tang等[30]采用OL封裝的LM微粒（LMP-OL） 作為導電油墨 （圖 4（a）和圖 4（b）），OL 的存在使LMP-OL能夠附著在各種材料表面。即使將紙張從 0°彎曲至 180°、彎曲 500 次后，LMP-OL 導體也未 發 生 斷 裂 ， 并 保 持 優 越 且 穩 定 的 導 電 性 （約5.3 Ω），這為曲率傳感器的持續運行提供了保障。此外，這項研究還利用 3D 打印技術將墨水直接噴射到紙張、皮膚和衣服表面，探索了電容式觸摸感應、呼吸監測和熱管理等多種集成功能 （圖 4（c））。與傳統的柔性印刷電路板相比，LMP-OL的制備簡單、成本低廉，并且能夠實現高效回收。LMP-OL 在人機交互、柔性設備的運動檢測和熱管理等方面具有廣闊的應用前景。

超柔性 LM 復合材料在軟機器人、可穿戴電子設備和人機交互等應用領域具有巨大潛力。Chen等[31]開發了一種直接墨水寫入 （DIW） 3D 全打印策略，將CNF、水性聚氨酯 （WPU） 和 LM 集成在一起，制備高性能電子薄膜、電路和各種 2D 或 3D 結構。CNF/WPU的雙分子互穿網絡的柔性體系有利于減少LM損壞和泄漏。此外，基于高 LM 含量 （78.0%） 的超柔性 LM 電子器件表現出了對彎曲變形的精準電氣響應、良好的柔韌性和可回收的耐用性 （高達500次循環）。這種全打印系統有助于實現各種器具的完全自動化、復雜結構和精確成型。DIW3D全打印LM有望為基于 LM的可編程和多材料電子產品創建復雜的導電結構，滿足高精度、大規模和自動化生產的要求。

導電水凝膠在柔性傳感器領域受到廣泛關注。然而，水凝膠傳感器內部的單一網絡結構通常使其難以承受較大的機械載荷，極大地限制了其實際應用。因此，Hang 等[32]以 CNF、氯化鎂 （MgCl2）、乙二醇和LM 為原料，構建了一種基于聚乙烯醇 （PVA） 的高性能導電復合水凝膠。CNF和 LM 的協同作用增強了可回收水凝膠內部的網絡結構。這使得水凝膠的拉伸強度達 3.86 MPa，斷裂伸長率高達 918.4%，在 80%應變時的抗壓強度為4.04 MPa。此外，MgCl2和LM組成的導電網絡賦予了水凝膠良好的導電性。組裝的水凝膠傳感器不僅能夠檢測部分外部應力或變形，還能夠實現電碼的信號識別和信息傳輸。類似地，Wang等[33]通過將纖維素纖維衍生的碳氣凝膠與丙烯酸原位自由基聚合形成的 LM導電水凝膠封裝在一起，開發出了一種具有高導電網絡的碳復合水凝膠。碳復合水凝膠具有很高的拉伸強度和韌性，在用作拉伸應變傳感材料時顯示出極高的靈敏度 （在 400%～500% 應變范圍內的測量系數為 13.1）、超低的檢測限 （0.1%）、快速恢復時間 （1% 應變時的恢復時間為 166 ms） 以及出色的耐用性 （10%和100%應變可循環1 000次）。這種高性能復合水凝膠的設計策略將為構建可穿戴電子設備、人機交互等方面的柔性應變傳感器提供新的思路。

3. 2 超級電容器

隨著物聯網時代的到來，柔性超級電容器（F-SC）已成為可穿戴設備最有前途的電源之一。然而，快速制備具有高能量密度和可拉伸性能的 F-SC 仍是一項挑戰。Wang 等[34]采用激光直接寫入技術，利用普魯士藍鈷鐵類似物-木質素磺酸鈉的納米雜化物來增強羧基丁腈橡膠，制備了一種可拉伸橡膠基超級電容器。在可編程高能激光輻照的瞬態光熱作用下，納米雜化物中的木質素磺酸鈉直接轉化為多孔碳材料，而普魯士藍鈷鐵類似物則熱解為雙金屬化合物納米顆粒，作為贗電容材料嵌入碳框架中。利用激光直接寫入技術制備的對稱互插式超級電容器，其面積電容高達 479.08 mF/cm2，能量密度高達 80.07 （μ·Wh）/cm2。為了實現其可拉伸性能，通過“Kirigami”技術與LM連接制造出了具有“島橋”結構的可拉伸超級電容器。橡膠基超級電容器具有高電壓窗口和能量密度，以及出色的穩定性，可為小型設備供電。這項工作為利用激光直接寫入技術可擴展地制備柔性儲能器件提供了新的見解，對開發橡膠基柔性電子器件和木質纖維素基材料的高值化利用具有重要意義。

近年來，由于 CNF 薄膜具有三維結構、柔韌性和環保性，科研工作者對利用其制備超級電容器產生了濃厚的興趣。Yuan 等[35]采用超聲波和真空過濾法制備了一種由 MXene （Ti3C2Tx）、CNF和 LM組成的混合薄膜 （圖5（a））。CNF和LM與MXene的結合形成了一種具有更高導電性的多孔結構，有利于離子和電子在組合物內部的傳輸，并使材料具有更強的電化學特性，在電流密度為 5 mA/cm2時，CNF/MXene/LM 電極的面積比電容高達 871.3 mF/cm2。該混合薄膜具有出色的穩定性，在電流密度 10 mA/cm2的條件下，經過2 000 次 循 環 后 仍 能 保 持 546.4 S/cm 的 高 電 導 率 和96.9%的電容率。利用薄膜作為電極，制備出了高性能準固體超級電容器，厚度僅為 0.319 mm。超級電容器顯示出卓越的電學性能，在電流密度 5 mA/cm2的條件下，其面積比電容為 188.2 mF/cm2 （圖 5（b）～圖5（e））。研究表明，由CNF調控LM制備的柔性電極在超級電容器領域具有廣泛的應用潛力。

3. 3 光熱轉換

EGaIn 是一種新興的相變金屬材料，但其相變焓低、光吸收率低，限制了其在光熱相變儲能材料（PCM） 領域的應用。Wei等[36]基于偶極層機理，采用球磨法制備了硬脂酸-EGaIn基PCM，該PCM具有良好的光熱性能和相變焓。纖維素氣凝膠和二硫化鉬（MoS2）可利用毛細力支撐PCM，降低界面熱阻。所制備的PCM的熱導率高達0.31 W/（m·K）（與純硬脂酸相比提高了138%），相變焓高達187.50 J/g，高于大多已報道的PCM。此外，該團隊還開發了基于PCM的熱管理系統和紅外隱形材料（圖6），可用于儲能設備的熱管理和紅外隱身，為制造基于 EGaIn 的智能 PCM 提供了一種新方法。為了開發具有優異的機械彈性、可重復性和光熱轉換性能的彈性體，Shen 等[37]將 LM液滴通過超聲分散在氨基纖維素 （AC）、辛二酸改性環氧大豆油 （ESOPA） 和天然橡膠基質的混合物中。AC 和 ESOPA 的活性基團不僅能構建多重氫鍵網 絡，還 賦 予 復 合 彈 性 體 優 異 的 機 械 強 度 （1.51MPa） 和拉伸性能 （515.3%）。多重氫鍵網絡的斷裂和重建使復合彈性體在室溫下快速愈合，自愈合效率高達 97.28%。復合彈性體薄膜在 1 個標準太陽光的照射下被均勻加熱，照射 300 s后薄膜表面溫度迅速升至 59.9 ℃，并在 3 600 s 內表現出極好的穩定性 。 加 熱 階 段 的 光 熱 轉 換 效 率 為 57.98%。 在200 mW/cm2的輻照條件下，溫度達 78.4 ℃，這表明該復合彈性體具有出色的光熱轉換性能。

由于淡水資源日益匱乏，太陽能水凝膠蒸發器受到廣泛關注。EGaIn以其出色的光熱轉換和導電性能備受關注。然而，LM在水中的分散性差且易沉積，限制了其實際應用。為了克服這一難題，Wei等[38]開發了一種EGaIn/聚苯胺復合物（EP）和CNC作為寬帶光吸收的光吸收劑和顆粒均勻性的分散劑。基于貝納德-馬蘭戈尼效應，以雙網絡PVA/聚丙烯酰胺水凝膠作為蒸發器，以水/乙二醇為溶劑來調節傳熱。加入 CNC 和EP后，水凝膠具有優異的機械性能、光熱轉換性能和電氣特性。基于寬帶光吸收和貝納德-馬蘭戈尼效應的結合，其蒸發率gt;1.50 kg/（m2·h）。此外，不同結構的協同作用還賦予了水凝膠多種感官功能、類皮膚功能和發電功能。這項工作展示了基于EGaIn的新型光熱轉換粒子和一種調節熱傳導的新方法，以實現高度太陽能驅動蒸發，及多功能太陽能蒸發系統的集成。

4 結 語

本文綜述了基于木質纖維素調控液態金屬 （LM）制備功能性復合材料的最新研究進展。木質纖維素衍生材料具備可持續性、優異的導電和導熱性能、以及柔韌性和加工性，使其在眾多領域中具有應用潛力。盡管已經通過多種改性手段增強木質纖維素/LM復合材料的性能以適應特定領域的應用需求，但仍存在一些挑戰需進一步研究和解決。

（1） 在制備木質纖維素/LM復合材料過程中，增強界面黏附和控制復合材料的均勻性是當前面臨的主要挑戰。當前的研究重點在于對木質纖維素及其衍生材料進行化學改性，如通過羥基化和醚化木質纖維素，增強木質纖維素與 LM之間的相互作用。鑒于不同成分、結構和尺寸的 LM復合材料的性能需求 （包括機械性能、導熱性能、電導率和化學穩定性） 在不同應用場景下存在差異，這些材料仍需進一步深入研究。此外，為了提高 LM的穩定性，還需系統地分析并解決其固有的流動性和氧化性問題。

（2） 采用不同的調控方法或摻雜策略，制備具有多樣化特性的木質纖維素/LM復合材料，這些材料可應用于柔性傳感、能量存儲和光熱轉換等應用領域。木質纖維素/LM復合材料對內部連接和外界環境極為敏感，這可能會對 LM的獨特性能產生影響。如內部摻雜的顆粒可能受到外部激勵 （如超聲波、化學和電化學刺激） 的破壞，進而影響 LM的結構和成分。因此，深入探究 LM與木質纖維素基材料之間的內部和界面相互作用對于構建高性能的木質纖維素基 LM復合材料具有重要意義。

（3） 目前表征木質纖維素/LM復合材料存在的問題主要包括由于木質纖維素衍生材料的異質性導致測試結果不一致、缺乏統一和標準化的測試方法、以及復合材料的微觀結構和宏觀性能之間的相關性不明確等。目前采用的表征儀器如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍射儀，在分辨率和實時監測等方面存在局限性。未來的研究需聚焦于開發原位表征儀器和技術，如原子力顯微鏡和同步輻射技術，以實時監測復合材料在不同環境條件下的行為。這些方法能夠提供更全面的數據分析，以揭示界面特性和材料性能之間的關系。

綜上所述，盡管現有的挑戰尚未得到解決，但隨著對木質纖維素調控 LM制備復合材料技術的進一步深入研究，這些復合材料將發展成為一個強大而有前景的多功能平臺。

參 考 文 獻

［1］ FATIMA S S， ZURAIQI K， ZAVABETI A， et al. Current state and

future prospects of liquid metal catalysis［J］. Nature Catalysis，

2023，6：1131-1139.

［2］ CAO G， LIANG J， GUO Z， et al. Liquid metal for high-entropy

alloy nanoparticles synthesis［J］. Nature，2023，619：73-77.

［3］ WANG D， YE J， BAI Y， et al. Liquid Metal Combinatorics Toward

Materials Discovery［J］.

Advanced Materials， DOI：10. 1002/

adma. 202303533.

［4］ ZHU J， LI J， TONG Y， et al. Recent progress in multifunctional，

reconfigurable， integrated liquid metal-based stretchable sensors and

standalone systems［J］. Progress in Materials Science， DOI：

10. 1016/j. pmatsci. 2023. 101228.

［5］ LI W， ZHU L， XU Y， et al. Lignocellulose-mediated

Functionalization of Liquid Metals Toward the Frontiers of

Multifunctional Materials［J］. Advanced Materials， DOI：10. 1002/

adma. 202415761.

［6］ ?STERBERG M， HENN K A， FAROOQ M， et al. Biobased

Nanomaterials—The Role of Interfacial Interactions for Advanced

Materials［J］. Chemical Reviews， DOI：10. 1021/acs. chemrev. 2c0

0492.

［7］ ZHAO D， WANG L， FANG K， et al. Fabrication of lignocellulose/

liquid metal-based conductive eutectic hydrogel composite for strain

sensors［J］. International Journal of Biological Macromolecules，

DOI：10. 1016/j. ijbiomac. 2024. 133013.

［8］ GUO M， GUO X， NIU H， et al. Entire X broadband and high

performance electromagnetic wave absorbing nickel/liquid metal/

graphene oxide/bacterial cellulose composite films［J］. Journal of

Materials Science： Materials in Electronics， DOI：10. 1007/s10854-

024-14188-7.

［9］ LEE D， PARK S， SEO J， et al. Functionalized EGaIn Electrodes

with Tunable Reduced-graphene-oxide Assembled EGaIn Core-shell

Particles for Soft and Deformable Electrochemical Biosensors［J］.

Advanced Functional Materials， DOI：10. 1002/adfm. 202311696.

［10］ LUO Z， ZHOU X P. Liquid Metal Chemical Plating Rheological

Modification Method for Magnetic Metal Materials［J］. Advanced

Functional Materials， DOI：10. 1002/adfm. 202416231.

［11］ SINGH M， BHUYAN P， JEONG S， et al. Directly Printable， Non

smearable and Stretchable Conductive Ink Enabled by Liquid Metal

Microparticles Interstitially Engineered in Highly Entangled

Elastomeric Matrix［J］. Advanced Functional Materials， DOI：

10. 1002/adfm. 202412178.

［12］ 魏琳珊，呂子露，劉振華，等. 木質素基電極材料在超級電容器

中的研究進展［J］. 中國造紙，2024，43（9）：38-46.

WEI L S， LYU Z L， LIU Z H， et al. Research Progress of Lignin

based Electrode Materials for Supercapacitors［J］. China Pulp amp; Pa‐

per，2024，43（9）：38-46.

［13］ 劉 慧，劉國龍，畢成龍，等. 木質素基水凝膠的制備及其潛在

應用研究進展［J］. 中國造紙，2024，43（11）：26-36.

LIU H， LIU G L， BI C L， et al. Research Progress on the Prepara‐

tion of Lignin-based Hydrogel and Its Potential Application［J］. Chi‐

na Pulp amp; Paper，2024，43（11）：26-36.

［14］ 李甜甜，李 威，孟 育，等. 纖維素基吸波和隱身材料的研究

進展［J］. 中國造紙，2025，44（2）：159-167.

LI T T， LI W， MENG Y， et al. Research Progress of Cellulose

based Microwave Absorbing and Stealth Materials［J］. China Pulp

amp; Paper，2025，44（2）：159-167.

［15］ RAHMANI P， SHOJAEI A， SAKORIKAR T， et al. Liquid Metal

Nanoparticles Physically Hybridized with Cellulose Nanocrystals

Initiate and Toughen Hydrogels with Piezoionic Properties［J］. ACS

Nano，2024，18：8038-8050.

［16］ YANG Q， YU M， ZHANG H， et al. Triboelectric nanogenerator

based on well-dispersed and oxide-free liquid metal-doped

conductive hydrogel as self-powered wearable sensor for respiratory

and thyroid cartilage signal monitoring［J］. Nano Energy， DOI：

10. 1016/j. nanoen. 2024. 110530.

［17］ YANG S， DU M， ZHANG Y， et al. A symmetric gradient structure

enables robust CNF/FeCo/LM composite films with excellent

electromagnetic interference shielding and electrical insulation［J］.

Journal of Materials Chemistry A，2025，13：5744-5757.

［18］ LI W， ZHOU T， ZHANG Z， et al. Ultrastrong MXene film induced

by sequential bridging with liquid metal［J］. Science，2024，385：

62-68.

［19］ 張培元，余 婷，陳禮輝，等. 木質素基導電水凝膠及其在超級

電容器電解質中的應用［J］. 中國造紙學報，2024，39（4）：61-69.

ZHANG P Y， YU T， CHEN L H， et al. Preparation of Lignin

based Conductive Hydrogels and Their Application in Supercapaci‐

tor Electrolytes［J］. Transactions of China Pulp and Paper，2024，

39（4）：61-69.

［20］ 王小怡，王冠華，薛政隆，等. 木質素在土壤改良和修復中的研

究及應用進展［J］. 中國造紙學報，2024，39（2）：140-153.

WANG X Y， WANG G H， XUE Z L， et al. Progress of Research

and Application of Lignin in Soil Improvement and Remediation

［J］. Transactions of China Pulp and Paper，2024，39（2）：140-153.

［21］ 智崇科，王 雪，姚利宏 . 木質素納米顆粒的制備與應用研究

進展［J］. 林產工業，2024，61（9）：61-64.

ZHI C K， WANG X， YAO L H. Research Progress in the Prepara‐

tion and Application of Lignin Nanoparticles［J］. China Forest Prod‐

ucts Industry，2024，61（9）：61-64.

［22］ 呂艷輝，王曉玲，杭冬妮，等 . 木質素納米顆粒在藥物遞送領域

的 研 究 進 展［J/OL］. 中 國 現 代 中 藥，1-9［2025-03-27］. https：//

doi. org/10. 13313/j. issn. 1673-4890. 20240718005.

LYU Y H， WANG X L， HANG D N， et al. Lignin Nanoparticles in

the Field of Drug Delivery： A Review［J/OL］. Modern Chinese Med‐

icine，1-9［2025-03-27］. https：//doi. org/10. 13313/j. issn. 1673-

4890. 20240718005.

［23］ WU X， QI Z， ZHANG W， et al. Lignin-stabilized Tough， Sticky，

and Recyclable Liquid Metal/Protein Organogels for Multifunctional

Epidermal Smart Materials［J］. Small， DOI：10. 1002/smll. 202405126.

［24］ LUO J， HU Y， LUO S， et al. Strong and Multifunctional Lignin/

Liquid Metal Hydrogel Composite as Flexible Strain Sensors［J］.

ACS Sustainable Chemistry amp; Engineering，2024，12：7105-7114.

［25］ QIAO X， ZHANG Y， WANG L， et al. Simple preparation of

lignosulfonate stabilized eutectic gallium/indium liquid metal

nanodroplets through ball milling process［J］. International Journal of

Biological Macromolecules， DOI：10. 1016/j. ibiomac. 2023. 127809.

［26］ ZHENG Y， LIU H， YAN L， et al. Lignin-based Encapsulation of

Liquid Metal Particles for Flexible and High-efficiently Recyclable

Electronics［J］. Advanced Functional Materials， DOI：10. 1002/

adfm. 202310653.

［27］ 朱宇童，李海潮，胡愈誠，等. 木質纖維LCC化學鍵在不同處理

過程中的斷裂機理研究進展［J］. 林業工程學報，2025，10（1）：

1-11.

ZHU Y T， LI H C， HU Y C， et al. Research progress on cleavage

mechanism of LCC linkages in lignocellulose under different treat‐

ment processes［J］. Journal of Forestry Engineering，2025，10（1）：

1-11.

［28］ SHI G， PENG X， ZENG J， et al. A Liquid Metal Microdroplets

Initialized Hemicellulose Composite for 3D Printing Anode Host in

Zn-ion Battery［J］. Advanced Materials， DOI：10. 1002/adma.

202300109.

［29］ WANG H， XIA Q， YANG M， et al. Holocellulose nanofibrils

biomimetic entrapment of liquid metal enable ultrastrong， tough，

and lower-voltage-driven paper device［J］. Carbohydrate Polymers，

DOI：10. 1016/j. carbpol. 2024. 123115.

［30］ TANG Z， ZHAO Y， YUAN Y， et al. Application of Oxidized

Lignin Encapsulated Liquid Metal Prepared Conductive Ink for

Sustainable Flexible Electronics［J］. ACS Applied Electronic

Materials， DOI：10. 1021/acsaelm. 4c00487.

［31］ CHEN Y， LU Y， FAN D， et al. Revolutionizing flexible

electronics： Integrating liquid metal DIW 3D printing by

bimolecular interpenetrating network［J］. Chemical Engineering

Journal， DOI：10. 1016/j. cej. 2024. 151013.

［32］ HANG T， CHEN Y， YIN F， et al. Highly stretchable polyvinyl

alcohol composite conductive hydrogel sensors reinforced by

cellulose nanofibrils and liquid metal for information transmission

［J］. International Journal of Biological Macromolecules， DOI：

10. 1016/j. ijbiomac. 2023. 128855.

［33］ WANG X， WANG G， LIU W， et al. Developing a carbon

composite hydrogel with a highly conductive network to improve

strain sensing performance［J］. Carbon， DOI：10. 1016/j. carbon.

2023. 118500.

［34］ WANG Z， HUANG Z， YU P， et al. High-performance stretchable

flexible supercapacitor based on lignosulfonate/Prussian blue

analogous nanohybrids reinforced rubber by direct laser writing［J］.

Chemical Engineering Journal， DOI：10. 1016/j. cej. 2024. 150288.

［35］ YUAN T， ZHANG Z， LIU Q， et al. Cellulose nanofiber/MXene

（Ti3C2Tx）/liquid metal film as a highly performance and flexible

electrode material for supercapacitors［J］. International Journal of

Biological Macromolecules， DOI：10. 1016/j. ijbiomac. 2024. 130119.

［36］ WEI Z， ZHANG Y， CAI C， et al. Wood Lamella-inspired

Photothermal Stearic Acid-eutectic Gallium-indium-based Phase

Change Aerogel for Thermal Management and Infrared Stealth［J］.

Small， DOI：10. 1002/smll. 202302886.

［37］ SHEN Y， WANG X， XU S， et al. Multiple hydrogen bonds

network enabled sustainable and reproducible cellulose/liquid metal

composite elastomer for clean energy collection and conversion［J］.

Composites Science and Technology， DOI：10. 1016/j. compscitech.

2023. 110201.

［38］ WEI Z， WANG Y， CAI C， et al. Dual-network Liquid Metal

Hydrogel with Integrated Solar-driven Evaporation， Multi-sensory

Applications， and Electricity Generation via Enhanced Light

Absorption and Bénard-marangoni Effect［J］. Advanced Functional

Materials， DOI：10. 1002/adfm. 202206287. CPP

（責任編輯：呂子露）