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清华大学卢元团队｜生物质“绿色”柔性电子

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-10-02 12:45

正文

摘要

电子产品的快速发展与电子废物的增加引发了一系列环境问题。在能源短缺与碳中和碳减排目标的双重驱动下，废弃生物质的循环利用引发了科研界的关注。近年来，废弃生物质转化高价值电子产品在绿色和柔性电子领域展现了潜力。在本综述中，我们归纳了生物质转化柔性电子的探索和进展，聚焦于生物质转化基底材料、电极材料、电解质材料以及光管理和热管理材料，进一步探索了适用于环境监测和个人健康管理的组合设备。我们探讨了该领域当前面临的技术优化和成本效益方面的挑战，并提出了改进策略。通过基础科研与工业应用的深度融合与相互促进，我们相信这一新兴领域将迎来更加广阔的前景。

图文详解

图1. 生物质转化柔性电子示意图。

本综述全面总结了生物质转化柔性电子材料与设备的研究进展，归纳了直接与间接制备策略（图1）。在生物质处理和柔性电子制造方面，讨论了预处理手段、物理制造、化学制造等。在预处理中，通过物理、化学、生物方法降低材料的复杂度以便后续加工。在电子产品制造中，物理策略包括机械压制、打印、涂覆、直写等，化学策略包括聚合、沉积、碳化、溶剂热反应等。

废弃生物质的预处理策略：

图2. 生物质材料预处理与柔性电子制造方法示意图。

要转化为高附加值的电子器件材料，废弃生物质必须经过一系列的制造工艺（图2）。在转化之前，对生物质进行预处理通常是必要的，因为未经处理的生物质固有的复杂结构和组成通常会增加后续转化过程的难度，从而降低反应速率、转化效率和产品质量。由于生物质的复杂性、所需产品的多样性以及每种技术的特点，整个制造过程需要各种预处理技术，包括物理、化学和生物方法。

生物质转化模块柔性电子材料：

图3. 生物质转化基底的制备策略。

图4. 生物质转化电极与电解质的制备策略与性质。

图5. 生物质转化光管理与热管理材料的制备策略与工作原理。

废弃生物质可转化为基底材料、电极与电解质、光管理与热管理材料等柔性电子器件模块化材料（图3-5）。一方面，生物质材料具有良好的可塑性，可以通过处理赋予更适用于电子材料的特性；另一方面，生物质材料固有的结构与性质可能带来超出预期的良好电子器件性能。

基于生物质的柔性电子器件：

图6. 生物质转化储能器件与传感器的制造流程与工作原理。

图7. 生物质转化显示器的制造流程与工作原理。

图8. 生物质转化自修复材料的修复机制。

图9. 生物质柔性电子的应用。

上述生物质转化的模块柔性电子材料可以被组合成一系列柔性电子功能器件（图6-8），包括储能器、传感器、显示器、自修复组件、可降解组件等。这些器件可以被进一步集成为电子设备，用于环境监测、可穿戴设备、可植入设备等领域（图9）。

挑战与前景：

图10. 挑战与前景。

生物质转化柔性电子面临重要的挑战与前景（图10）。该领域面临的挑战主要在以下四个方面：一是生物质本身的复杂性，且相关基础研究不够彻底；二是获取所需性质面临困难，有时反应调控不够精确，有时所需性质之间存在矛盾；三是在工业生产和商业化方面，生物质转化柔性电子材料尚且缺乏竞争力，大规模生产的成本效益需要考量；四是柔性电子设备的应用场景较为有限，在基础设施换代、极端环境工作等领域的应用还有待探索。对此我们认为，随着基础科研的持续深入，科研与产业的相互促进，信息技术对产学研流程的优化，新一代生物质衍生柔性电子设备将表现出更好的特性、更长的生命周期、更优的生产工艺和更广泛的应用场景。

总结与展望

在本综述中，归纳总结和深度探讨了生物质转化柔性电子设备的最新进展。从农林废弃物到生活垃圾，多种废弃生物质可被转化为高价值电子材料，包括基底、电极、电解质、光管理与热管理材料等。这些材料被应用于储能、光电、传感等柔性电子领域，它们组成的器件设备在环境监测与健康管理中可得到广泛潜在应用。研究者运用一系列策略探索生物质材料的潜力：通过改性赋予更适用于电子产品的特征，同时保留它们固有的特性和优点；通过优化制造流程、发展大规模生产工艺，增强商业应用竞争力。在碳中和、碳减排背景下，这一领域前景广阔。随着基础研究的持续深入、工艺流程的不断优化、以及信息技术的运用，该领域的发展将为资源循环利用与低碳可持续发展等重大需求领域，提供技术前沿和工程应用策略。

原文信息

本综述以“Transformation of discarded biomass into value-added flexible electronic materials”为题，发表在Green Energy & Environment期刊，该论文第一作者为清华大学学生包斯佳，通讯作者为清华大学卢元副教授。