纳米碳材料，如石墨烯和碳纳米管，因其轻质、高导电、易加工、热稳定、化学稳定等特性，正广泛应用于可穿戴电子设备。然而，目前纳米碳材料的碳源主要是石油或煤炭等化石原料，碳源获取和材料制备的过程具有高能耗、高温室气体排放、高污染等特点。
可再生的生物高分子，如纤维素、木质素、壳聚糖、丝素蛋白等，有望成为纳米碳材料的新兴“绿色碳源宝库”。每年自然界生成的纤维素达1.5万亿吨，甲壳素达1000亿吨，木质素达10亿吨，发展这些生物高分子的碳化方法，不仅有望降低生产能耗，减少有害排放，还具有明显的经济潜力。更令人兴奋的是，各类生物高分子独特的元素组成和精巧的生物结构可为衍生的碳材料在可穿戴应用上发挥新奇的作用。近年来，人们基于生物高分子碳化技术，已成功制备出具备独特导电性、机械性能和电化学活性的生物高分子基衍生碳材料（BioCMs），这为可穿戴电子的创新发展提供了新的机遇。这些BioCMs甚至在某些性能上超越了传统的合成碳材料，展示了巨大的应用潜力。
近日，清华大学张莹莹教授课题组发表综述论文，论述了多种生物高分子基衍生碳材料（BioCMs）的碳化转化机制，讨论了各种碳化方法的特点，并总结了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴电子领域的应用。主要内容包括四个部分。首先介绍了在可穿戴电子中四种应用最广泛的生物高分子的碳化转化机制，包括纤维素、木质素、甲壳素和丝素蛋白，分析了它们在分子层面上的转化过程；接着讨论了不同碳化技术对所形成的碳材料的形态特征和性能的影响，并讨论了针对不同的应用需要如何选择合适的碳化过程；随后探讨了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴设备中的应用，包括物理信号传感器、化学信号传感器、能源存储与管理器件以及显示器件；最后讨论了该领域当前存在的主要挑战和未来的发展方向。
图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电子设备中的应用生物高分子的碳化过程涉及在高温下去除有机材料中大部分非碳元素，并重新排列碳原子，该过程包括一系列复杂的物理和化学反应。元素演变方面，碳化过程一般经历脱水、降解、芳构化和石墨化，其中氢、氧和氮原子以小分子的形式释放出来。氧原子通常与碳或氢原子结合蒸发，从而对碳材料产生腐蚀效应，而氮原子则会与碳原子在石墨晶格位置上产生竞争。分子结构演变方面，生物高分子中固有的芳香环、sp2杂化碳和密集的结晶区域可以作为碳化过程中高度有序结构的前驱体。因此，不同生物高分子的碳化过程涉及不同的转化过程和优化温度，进而产生不同的碳化产物。图2 纤维素、木质素、甲壳素和丝素蛋白的元素组成、碳化前后分子结构演变示意图，以及随着温度升高时生物高分子的典型结构演化过程碳化方法直接影响所得生物高分子基衍生碳材料的形态、导电性、电化学活性等，进而决定其潜在应用。碳化过程可分为结构继承型碳化和结构重组型碳化。前者在碳化过程中保留生物高分子的结构，而后者则重塑其结构。本综述具体阐述了热解碳化、激光诱导碳化、焦耳热碳化、水热碳化和盐封碳化等常见碳化方法。生物高分子基衍生碳材料的形态多样性、导电性、稳定性、电化学活性、可加工性和轻质特性，使其广泛应用于可穿戴电子设备中。由sp²杂化碳组成的石墨化区域使得生物碳材料能够作为热稳定性强且耐腐蚀的柔性碳电极；生物高分子基衍生碳材料在发生形变或温度变化时，导电性的变化使其能够作为可穿戴的物理信号传感器。生物高分子中的固有杂原子赋予了生物高分子基衍生碳材料电化学活性，使其能够用于可穿戴化学传感器。此外，高度石墨化而导电性优良的生物高分子基衍生碳材料可作为可穿戴显示器件中的柔性发光电极，而芳构化的生物碳量子点则可以作为发光材料。本综述概述了生物高分子基衍生碳材料在可穿戴物理信号传感器、化学信号传感器、能源器件和显示器件中的应用。图4 生物高分子基衍生碳材料在可穿戴设备领域的应用尽管生物高分子基衍生碳材料在可穿戴电子领域具有巨大潜力，但仍面临一些挑战，限制了其广泛应用和商业化。这些挑战包括如下方面：1) 制备和加工：碳化过程较为复杂，往往需要高温和惰性气氛条件，需要发展节能的碳化技术。2) 结构与性能：天然生物质材料往往包含多种生物高分子，均一性和可控性较差，同时转化时不易形成大面积连续的sp²杂化石墨化区域，导致其电导率较低。因此，如何提升生物高分子基衍生碳材料的导电性同时保持其柔性和生物兼容性仍需创新的材料加工方法。3) 实际应用：将生物高分子基衍生碳材料与其他电子元件集成在可穿戴设备中，需要发展与现有技术兼容的加工技术方法；另外，尽管生物高分子基衍生碳材料比较环保，还需要考虑其生命周期结束后的处置和回收。克服这些挑战并充分的发挥生物高分子基衍生碳材料的潜力，无疑需要多学科的交流和合作，包括材料科学、化学、电气工程、环境科学以及生命科学、医学、人工智能等。探索更多的生物质和生物高分子来源、提高碳化技术的效率、扩大生产规模并确保通用性、挖掘独特的应用场景，对生物高分子基衍生碳材料的商业化应用至关重要。通过跨学科的协作，生物高分子基衍生碳材料有望在可穿戴电子材料领域扮演不可或缺的重要角色。该文以“Biopolymer-Derived Carbon Materials for Wearable Electronics”为题发表于Advanced Materials杂志的“Emerging Sustainable Biopolymer Materials”专刊, 清华大学化学系博士生金炯克为该文的第一作者。
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