人类社会发展需要可持续和可再生资源。生物质是一种富含碳素的可再生资源，将其转化为碳材料，可以实现稳定的固体形式的碳储存，对于实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义。
由于生物质自身结构的多样性和组成的复杂性，生物质碳材料的合成、定向重组和功能化，以及大规模应用面临着巨大的挑战与机遇，如何实现生物质碳材料的可控制备和规模化生产是我们需要思考的问题。
基于此，华南理工大学轻工科学与工程学院彭新文教授及其团队，利用生物质木质纤维大分子特性、聚集态结构、界面相互作用、材料本征结构等优势，通过结构调控、界面工程、微观缺陷调控、异质掺杂等方法，构建了一系列新型生物质功能碳材料，比如柔性碳、体相催化碳、单原子木质碳材料等，并对它们的性能实现了精准调控与应用。
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彭新文（来源：彭新文）
在研究过程中课题组遇到的首要难题是，生物质碳具有本征脆性，传统的制备方法难以获得良好柔性的块体碳。
大自然界具有各种各样特殊的柔性结构，比如人体足弓的拱形结构，可以很好地承受身体带来的压力并实现应力的有效传递，这让他们产生了通过设计波浪形层状结构制备可压缩、弹性碳材料的想法。
具体来说，其采用简单的冰晶冷冻导向的方法，利用片状纳米材料诱导纳米纤维素产生层状结构，并通过纳米纤维素的纳米焊接作用，制备了一种生物质碳气凝胶。
获得首例兼具高压缩、超回弹和弯曲性能的生物质碳气凝胶
该碳气凝胶在99%极限形变下可完全回弹，对形变、压力检测极限是目前报道最低的。
此外，该团队还进一步提出通过生物质大分子界面相互作用、金属离子配位作用等相互作用，减少碳气凝胶层状结构的缺陷，进而提高碳气凝胶的力学性能及灵敏度，实现了此类碳气凝胶在可穿戴传感器中应用。
这一系列研究为生物质柔性碳材料的设计与应用提供了理论与技术指导，对柔性碳材料的发展具有重要的意义。
如前所述，课题组在生物质柔性碳材料的研究中已经取得了较多突破。但是，除了柔性传感器件，碳气凝胶在能源存储与催化转化领域，有着更广阔的发展前景。
因此，如何在保证碳气凝胶力学性能的前提下，进一步实现其功能化是其研究的又一突破点。
基于此前在碳气凝胶结构调控方面的深厚积累，他们引入能起到结构调控和活性位点自掺杂的小分子物质（比如N、S、P等元素及路易斯酸等），制备了具有可控杂原子、金属活性位点掺杂的一系列纳米纤维素柔性碳气凝胶电极材料。
此类碳气凝胶不仅具有良好的弹性，且表现出优异的氧化还原反应/水氧化电催化活性，可直接作为空气阴极用于锌空电池，解决了传统粉体碳催化剂需要使用粘结剂和集流体的问题。
作为体相电极所组装的锌空电池不仅具有高的比容量、功率密度和倍率性，且表现出优异的电化学和机械稳定性。这些研究成果无疑将为生物质的高值化利用和高效双功能空气阴极的设计提供新的策略。
利用农林生物质，构建一系列碳基体相催化材料
不同于通过生物质解聚后重构获得的柔性碳气凝胶，该团队还提出一种“自上而下”的策略，利用农林生物的天然孔道结构和优异的机械强度，构建了一系列自支撑体相电催化剂，并将其用于电催化、生物质氧化、有机合成等领域。
通过选择性酶解、路易斯酸水解、水热等方式，对木材、竹子、秸秆等进行前处理，可有效提高木材的孔隙率、促进氮掺杂和协同单原子锚定，进而获得具有分级多孔结构和丰富催化活性位点的生物质基碳材料。
同时，他们也深入研究不同的处理方法，对于生物质基碳材料的微观结构、元素组成和结合态等理化结构的影响规律，并进一步结合理论计算，探究了催化剂活性位点和相关反应机制，阐明了理化结构和电催化性能之间的构效关系，为构建低成本、高活性的体相催化剂材料提供了新的思路和方向。
为木质素的高值化利用提供新方向
除了上述“刚柔并济”的体相碳材料，课题组在传统制浆造纸领域相关的碳材料发展上也有一定的探索。
基于制浆造纸技术平台，其致力于生物质功能材料与制浆造纸废弃物高值转化研究，重点围绕生物质碳材料及其在催化、新能源电池关键材料、传感与柔性可穿戴器件等领域。
最近几年，课题组在木质纤维素的光、电、热高度选择性转化等方面开展了一系列研究工作。
例如，木质素作为造纸废弃物，每年产量可达万吨，其中只有约10%得到有效利用，其余大部分工业木质素被作为工业废弃物直接排放或者作为低值燃料进行燃烧，造成资源浪费的同时还产生新的环境污染问题。
针对此问题，该团队以制浆过程中产生的危害性黑液——即木质素类作为原料，通过木质素磺酸盐与金属之间的强配位作用，提出一种普适性的、低成本、大规模制备金属单原子催化剂的方法，为木质素高值化利用提供了新的方向。
此外，他们还结合成熟的造纸工艺，将生物质碳与纸浆纤维、商用隔膜等复合构建了生物质多功能碳膜/纸，用于钠硫电池、钠离子电池等领域。
“我们坚信在不远的将来，可再生、价格低廉的生物质碳基材将进一步发光发热，并最终走向工业化应用。”彭新文表示。
在生物质碳材料方面的研究，该团队已有多年积累，开发了多种柔性功能材料。
例如，其以纳米纤维素为骨架制备的碳气凝胶，并将其应用在锌空气电池的工作，因其优异的电催化活性、循环稳定性和高能量效率获得了较多