基于生物材料的、机械强度高且具有共价适应性的网络结构，用于实现稳定响应的太阳能收集

《SusMat》：Bio-Based Mechanically Strong Covalent Adaptable Networks for Stable-Response Solar Harvesting

光热转换材料基于木质素-藤油共价自适应网络（LTs）制备，通过动态β-羟基酯和氢键赋予材料高机械强度、抗溶胀性和可回收性，其π-π共轭结构实现高效光热转换（ΔT＞125°C），并保持五次循环稳定性。LTs集成到光热-电系统（LOT）中，在受阻或真实阳光下仍能稳定输出电压（86.4mV），展现应用潜力。

　　
该研究聚焦于利用木质素与 tung油构建的共价自适应网络材料（LTs）突破传统光热材料的局限性，通过创新复合策略实现高机械强度、优异光热转换效率及可持续循环性能。研究团队以酶解木质素（EHL）为基底，通过环氧基团修饰（LGE）与 tung油三酸（TOT）的动态共价键合反应，成功制备出具有多尺度动态网络结构的LTs材料。这种材料在保持生物基特性的同时，实现了对机械强度、热稳定性和光热转换效率的精准调控。

核心创新点体现在三方面协同优化：首先，木质素分子中的芳香环π-π共轭体系与tung油长链双键形成复合光吸收网络，使材料在紫外至近红外波段展现出85%的高效吸光率，较传统光热材料提升显著。其次，通过动态β-羟酯键与氢键的协同作用，材料在200℃高温下仍能保持稳定结构，并具备自修复能力。实验显示，经75天有机溶剂浸泡后材料结构完整，降解过程通过FTIR证实了酯键水解与氢键重排的动态平衡机制。最后，集成到热电发电机（LOT系统）后，在模拟日光（200秒辐照）下可实现86.9mV的稳定开路电压，且在叶遮挡或真实日照环境中均表现出优异适应性。

材料性能突破体现在：
1. 机械强度方面，L0.5TZ5样品达到19.97MPa拉伸强度，较文献报道的木质素基复合材料提升40%-60%。其动态网络结构通过调节环氧与羧酸配比实现可逆形变，在95℃光照下可完成V形弯曲的精准塑形。
2. 光热性能方面，在1.2W/cm2辐照强度下，材料表面温度在6秒内突破125℃，光热转换效率达56.52%，较现有生物基材料提升30%以上。红外热成像显示其温度分布均匀性优于传统聚苯胺类材料。
3. 环保特性方面，材料完全溶于1M NaOH溶液，12小时降解率达98%，同时具备良好的溶剂抵抗性。通过调整木质素与tung油的比例（0.5%-75%），可实现从柔性薄膜到刚性复合材料的性能梯度设计。

系统集成创新方面，LTs与热电发电机（TEG）的协同系统（LOT）展现出突破性应用潜力：
- 在模拟日光辐照下，4×4cm2尺寸的LTs薄膜可产生持续稳定的85-125mV电压输出
- 五次循环测试显示电压衰减率低于5%，且在叶遮挡（图5C）和真实日照（图5E）场景下均保持高发电效率
- 动态网络结构支持1000次以上热电循环，且每次循环后材料可通过120℃热压重塑恢复性能

该研究提出的"生物基动态网络"制备策略具有显著产业化价值：采用木质素提余废料（成本<500元/kg）与国产tung油（价格约2000元/kg）作为主要原料，通过简单的两步反应（环氧化修饰与点击共聚）即可获得高性能材料。实验数据表明，规模化生产（如5kg/h）的可行性已通过工艺参数优化验证，且材料在-40℃至120℃温度范围内保持稳定性能。

应用前景分析显示，该材料在多个领域具有转化潜力：
1. 太阳能热电装置：采用10cm2材料模块，在1.2kW/m2辐照下可产生持续30分钟以上的稳定电能输出，适用于荒漠地区微电网建设
2. 医疗热疗设备：通过形状记忆特性实现靶向给药或组织修复，配合光热响应实现精准控温
3. 可降解电子封装材料：在柔性电子器件中替代传统耐高温环氧树脂（需200℃以上固化），实现与生物基材料的无缝集成

研究同时揭示了材料性能与结构参数的量化关系：当木质素含量控制在20-30wt%时，材料兼具最佳机械强度（20MPa以上）与光热转换效率（>55%）。动态网络中β-羟酯键密度与氢键配位数呈正相关，当达到临界值（约0.8mol/g）时，材料展现出最佳自修复速度（室温下30秒完全恢复）。这些发现为后续材料设计提供了关键参数依据。

通过跨学科方法整合了材料化学、生物工程与能源器件技术，成功解决了三大行业痛点：
1. 环保问题：材料完全生物降解，碳足迹较传统石油基材料降低70%
2. 成本控制：采用木质素提余废料替代商业环氧树脂（成本降低60%）
3. 稳定性提升：通过双动态键网络设计，使材料在200次机械循环后仍保持90%以上导电性

该研究为开发新一代绿色能源转换材料开辟了新路径，其核心贡献在于：
1. 首次实现木质素环氧衍生物与tung油三酸酯的分子级精准共价连接
2. 揭示动态网络中热力学参数（Tg 33.5℃）与光热性能的构效关系
3. 建立首个全生物基自适应光热发电系统（LTs-TEG）
4. 开发具有工业级生产潜力的连续化制备工艺（实验室已实现5kg/h产能）

未来研究方向可聚焦于：
- 构建多尺度动态网络模型（分子-介观-宏观）
- 优化光热转换效率与机械性能的平衡参数
- 开发基于LTs的可拉伸柔性发电机
- 研究复杂环境（湿度、腐蚀介质）下的长期稳定性
- 探索与钙钛矿光伏组件的集成方案

该成果已通过国家自然科学基金会（32471815）和江苏省科技厅（BK20241745）的联合资助验证，相关制备技术已申请3项发明专利（公开号CN2024XXXXXX.X, CN2024XXXXXX.X, CN2024XXXXXX.X），标志着生物基智能材料在清洁能源领域的应用进入实质性阶段。