天科大戴林、司传领团队 AFM封面文章：“木质素封装体系”助力液态金属高效分散、图案化及回收

2023-10-31 来源：高分子科技

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，天津科技大学戴林、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。得到的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。相关成果以“Lignin-based encapsulation of liquid metal particles for flexible and high-efficiently recyclable electronics”为题发表在Advanced Functional Materials上，并选为封面文章，天津科技大学硕士研究生郑勇为该工作的第一作者，戴林、司传领为通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310653

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（责任编辑：xu）

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