基于CRISPR-Cas9基因编辑技术解析木质纤维素前驱体组成对硬碳负极微观结构形成的影响机制

研究人员通过CRISPR-Cas9技术构建低木质素含量的转基因杂交杨木模型，系统研究了纤维素-半纤维素-木质素组成与碳化温度对硬碳(HCs)微观结构及碱金属离子(Li+/Na+/K+)存储性能的影响，发现降低木质素含量可显著提升硬碳负极的斜坡容量和平台容量，为设计高性能生物质硬碳材料提供了新思路。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的激增，开发环保高效的新型电极材料成为研究热点。木质纤维素生物质衍生的硬碳(hard carbons, HCs)因其优异的碱金属离子(alkali-metal ions, AMIs)存储性能备受关注，但其微观结构形成机制与木质纤维素前体组成的关系尚不明确。传统研究方法因无法精准控制前体组成而存在局限，韩国林业振兴院(Korea Forestry Promotion Institute)与国立研究基金会(National Research Foundation of Korea)的研究团队创新性地采用CRISPR-Cas9基因编辑技术，通过调控杂交杨木的木质素含量，建立了理想的实验模型系统。相关成果发表在材料学顶级期刊《Materials Today》上，为生物质硬碳材料的理性设计提供了重要理论依据。

研究团队主要运用三大关键技术：(1) CRISPR-Cas9基因编辑构建低木质素转基因杨木(TG-wood)；(2) 不同温度梯度碳化制备HCs材料；(3) 多尺度表征结合Li⁺/Na⁺/K⁺电化学性能测试。通过野生型(WT-wood)与TG-wood的对比研究，揭示了前体组成-微观结构-电化学性能的构效关系。

【Preparation and characterization of precursor model】
通过组分分析证实，CRISPR-Cas9编辑使TG-wood木质素含量显著降低，而纤维素/半纤维素比例保持稳定。这种精准的组成调控避免了传统化学处理导致的组分降解问题，为研究单一变量影响提供了理想模型。

【Conclusions】
研究证实木质素减少会促进硬碳中活性位点形成，使Li⁺/Na⁺/K⁺存储的斜坡容量(sloping capacity)和平台容量(plateau capacity)同步提升。碳化温度通过调控石墨微晶尺寸和孔隙结构，进一步影响离子扩散动力学。

该研究首次将基因编辑技术应用于能源材料前体设计，建立了"基因调控-组分优化-性能提升"的研究范式。不仅解决了木质纤维素组分作用机制的争议，更为开发定制化生物质硬碳材料开辟了新途径。这种跨学科研究方法对推动可持续能源存储技术的发展具有重要启示意义。