木质基新型能量存储与转换材料研究进展

李 坚， 焦 月(1.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040；2.东北林业大学木材仿生智能科学研究中心，黑龙江哈尔滨150040)

随着世界工业的快速发展，化石资源的过度使用引发了环境污染和能源危机等诸多问题，目前研发绿色新型能量存储与转换器件是解决以上难题最有效的方法之一。新型的能量存储与转换器件(如超级电容器、锂电池和太阳能电池等)，由于具有超高性能、长使用寿命及良好的安全性等优势得到了研究人员的广泛关注[1-2]，材料的选用则是超级电容器、锂电池、太阳能电池和催化析氢等领域的研究重点，开发新型的复合组分和合理设计材料的微观结构是实现器件性能提高、制备成本降低、安全性增强等目标的关键途径。

木质资源是一种取之不尽、用之不竭的天然资源，它含有多种组织结构、细胞形态、孔隙结构和化学组分，是结构层次分明、构造高度有序的聚合物基天然复合材料[3-5]。木质资源具有天然的分级多孔结构，孔径尺寸从毫米到纳米，可为离子的快速传输提供通道；此外，木质资源具有可再生、可生物降解及碳中性等特点，是制备绿色新型能量存储与转换器件中电极、电解质、催化剂和隔膜等的理想材料[6-8]。近年来，许多研究利用木质资源天然的结构与理化属性，结合纳米复合技术、界面修饰技术等处理方法，基于增材制造和减材制造两大方向实现了木质资源在能量存储和转换领域的高值化应用。综述近年来木质资源在新型绿色能量存储与转化领域的研究进展，重点介绍木质资源在超级电容器、锂电池、催化析氢、太阳能电池等方向的应用，并展望其未来发展方向，旨在为木质资源的功能化和高值化利用提供新的思路。

1 木质资源在超级电容器方向的典型应用

超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。根据电荷存储机制不同，可将电容器分为两类:双电层超级电容器和赝电容超级电容器。双电层超级电容器的电荷存储依赖于活性电极材料表面电解液离子的静电吸附，赝电容超级电容器依赖于可逆的氧化还原反应实现电荷存储。

木质资源在超级电容器领域的应用可以分为两个方向，即减材制造和增材制造。减材制造是指直接以木质原料为基质，通过生物、物理、化学等处理对木质原料的成分进行脱除或转化以及对结构进行定向调控，随后与微纳米活性单元复合，制备木质基复合材料；增材制造是将已经纳米化的木质原料通过重组得到大比表面积和高反应活性的一维纳米纤丝、二维纳米薄膜和三维凝胶等，在重组的过程中或者形成重组材料后与微纳米活性单元复合，以制备电极、隔膜等超级电容器的组件。

木材是减材制造法制备超级电容器电极材料的典型木质材料，木材具有分层多孔的框架结构，是支撑电极活性材料(如:金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物等)的理想基底/支架[9-11]；此外，木材分层次的多孔结构有利于电极与电解液的接触，其连续的低弯曲度孔道结构可促进离子的迁移并提供大量的表面位点来负载大量的活性物质。CHEN et al[12]将木材热解制备的三维多孔导电木炭作为支架，在其表面生长MnO2纳米片，利用木炭结构的大比表面积实现MnO2的高密度负载(＞75 mg·cm-2)；全木质非对称超级电容器组装图解及性能分析如图1所示。CHEN et al[12]设计的全木质非对称超级电容器采用木炭作为阳极、木质薄膜作为隔膜、MnO2/木炭作为阴极组装全木质的非对称超级电容器；该超级电容器厚度仅1 mm；由于其独特的结构、低弯曲度和高活性物质负载量等特点，该器件的面电容高达3.6 F·cm-2，在功率密度为1 044 mW·cm-2时，能量密度可达1.6 mW·h·cm-2，且具有较长的循环寿命。

图1 全木质非对称超级电容器的组装和电化学性能Figure 1 Schematic diagram of the preparation of a wooden asymmetric supercapacitor，and its electrochemical properties

YANG et al[13]利用聚合物辅助金属沉积法在拟提供柔性和存储离子的棉织物表面负载金属镍，随后通过真空抽滤法负载多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯，制备了三维多孔的多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯/金属镍复合织物电极；该电极可提供大量的连接通道和表面积用于离子快速扩散和吸收；组装的全固态棉织物基超级电容器可以便捷地嵌入到衣物中，可发展为镶嵌便携式健康监控设备、电子娱乐设备、运动记录设备等电子器件的新型服装；YANG et al[13]组装了一个10 cm2的全固态棉织物基超级电容器。该超级电容器器件在扫描速率10～100 mV·s-1范围内呈现出近乎矩形的循环伏安曲线；不同电流密度下的恒电流充放电曲线具有标准的三角形形状表明其良好的库仑效率(在20 mA·cm-2可达到99%)；当使用十层多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯/金属镍复合织物做电极时，器件的电容在20 mA·cm-2时可达到2.7 F·cm-2；由该电极组装的全固态超级电容器器件在超过10 000次循环测试后没有发生明显电容衰减。

随着纳米技术的快速发展，将木质资源纳米化拆解得到的纳米材料在重组的过程中或者形成重组材料后与微纳米活性单元复合来制备超级电容器电极材料，符合增材制造的理念。木质材料经化学预处理脱除木质素、半纤维素等物质后可得到亲水的纤维素；纤维素已被广泛应用于制备超级电容器电极材料。 ZHANG et al[14]通过 2， 2， 6， 6-四甲基哌啶氧化物(2，2，6，6-tetramethylpiperidine-1-oxyl， TEMPO)法从硬木纸浆中提取纤维素纤维，以柠檬酸-Fe3+复合物为氧化剂控制聚吡咯沉积量，制备了具有三维多孔结构的柔性纤维素纤维/还原氧化石墨烯/聚吡咯气凝胶电极；以纤维素纤维/还原氧化石墨烯/聚吡咯气凝胶膜为电极、聚乙烯醇/H2SO4凝胶为电解质和隔膜制备柔性全固态超级电容器；由于该电极具有多孔结构、高导电性和良好的润湿性，组装的超级电容器展示了优异的电化学性能。该电极在电流密度为0.25 mA·cm-2时其面积比电容最高可达720 mF·cm-2，且经2 000次循环后电容保持率为95%；该器件最大能量密度为60.4μW·h·cm-2，并在不同弯曲条件下电容仍能保持稳定，表明其在柔性电子元件领域具有较大的应用前景。

WAN et al[15]采用直流磁控溅射、循环伏安电氧化等现代微纳米制造技术，仿生自然界中的 “土壤-山体-植被”地质生态系统，构筑超强储能特性的 “功能集聚体”，其设计原理和电化学性能分析如图2所示。其中，仿生土壤即纤维素网络，兼具保水、亲水、柔性等功能(促进离子迁移)；仿生山体即金属钴，兼具刚性、电子高速传输、界面黏附等功能(促进电子传输)；仿生植被即垂直取向的蜂巢状氢氧化钴，兼具电化学高分辨响应、赝电容存储、离子协助扩散、缓和脱嵌应力等功能(促进电化学反应)。该仿生超级电容器的能量密度高达166μW·h·cm-2，在高电流密度下经过10 000次连续充放电测试，其比电容值仅损失8.4%，性能优于诸多同类产品。将仿生天然地质结构系统所构筑的纤维素-Co@Co(OH)2复合材料与碳布进行组装，构建非对称的超级电容器元器件，电压窗口可扩展至0～1.5 V。在两电极体系下，该器件展现出诸多优于同类产品的电化学特性，能量密度可达166μW·h·cm-2，功率密度可达37.5 mW·cm-2，具有优异的循环稳定性(电容保持率91.6%，10 000次循环)以及良好的倍率特性。

除了制备电极材料，木质资源还可以用于制备超级电容器隔膜。超级电容器隔膜一般要求为电子的绝缘体和离子的良导体，且具有化学稳定性好、吸液和保液性强、隔离性能好、机械强度高和柔韧性好等特点。纤维素大分子的自组装体具有丰富的孔结构、优异的绝缘性、强亲水性、良好的柔性和力学强度，是制备超级电容器隔膜的理想选择。制备纤维素膜的常用方法主要包括3种[16-17]:(1)通过高压均质法、高频脉冲超声法等物理处理结合化学预处理或酶预处理等前期处理，实现木质资源的纳米化，随后通过超分子作用实现重组成膜；(2)通过溶解实现木质资源的纳米化，随后通过加入抗溶剂干扰溶解平衡，促使纤维素分子重组成膜；(3)采用酯化、醚化等修饰处理或氧化开环处理，促使纤维素衍生物直接溶解在水中，再经由溶剂蒸发法制得透明膜材料。将纤维素膜直接浸渍在电解质中或与电解质混合后重组成膜即可得到纤维素基超级电容器隔膜。ZHAO et al[18]通过简便、可控的固相转化法制备了具有良好柔韧性、透明性和可再生的介孔纤维素膜，并利用饱和KOH电解质、介孔纤维素隔膜与碳材料电极组成固态双电层超级电容器；在电流密度为1.0 A·g-1时，该器件的电容为110 F·g-1，且循环10 000次后电容保留率可达84.7%。另外，在不使用复杂设备的情况下，将电极材料直接沉积在介孔纤维素基聚合物电解质上，可方便地制备出高度集成的平面微型超级电容器，其面电容可达53.34 mF·cm-2。

图2 Co@Co(OH)2/碳布非对称超级电容器的设计原理、结构图和电化学性能Figure 2 Schematic diagrams of the nature-inspired design philosophy， structure， and the electrochemical properties of the Co@Co(OH)2/cotton-derived carbon cloth asymmetricsupercapacitor

2 木质资源在锂电池方向的典型应用

锂电池可分为锂金属电池和锂离子电池(lithium ion battery，LIBs)，其中LIBs可根据采用的正极材料类型进行细分，可分为锰酸锂电池、钴酸锂电池、磷酸锂电池等。典型的完整LIBs包括正极、负极、隔膜和Li+导电电解质。LIBs电极制备过程通常是将活性电极材料与黏结剂和导电剂混合在有机溶剂中形成浆料，然后将浆料浇注在金属集流器(如铝或铜箔)上形成电极。然而，这种传统方式仍存在一些缺点，如:添加剂和集流器对电容没有贡献，从而降低了能量密度；机械稳定性差导致填料密度低，易于从集流器上脱落。另外，从环境可持续和生态友好性出发，应研发更加绿色的锂电池设备。木质资源及其衍生物由于独特的结构和高环保性，是制备LIBs电极的理想材料[19-20]。

为解决LIBs在充放电过程中电容快速衰减的问题，BAOetal[21]利用静电纺丝工艺制备了具有双功能核-壳结构的新型正极材料，纤维素-炭黑复合材料的合成示意图和结构图如图3(a)和图3(b)所示；硫掺杂的介孔碳为材料的核部分，纤维素纤维为材料的壳部分。纤维素作为外壳材料其具有较高的离子电导率，可促进离子迁移；纤维素外壳的高韧性能够承受循环过程中正极体积的变化，抑制多硫的穿梭效应；将该正极材料组装成电池后进行测试，其首次放电比容量高达1 200 mA·h·g-1；经过300次循环后，容量仍保持在660 mA·h·g-1，且库伦效率高达99%；通过计算纤维素中空纤维中的冯米斯应力分布，验证了柔软的纤维素材料比刚性壳体能更好地限制和捕捉硫原子也减少了应力集中和结构破坏。CAOetal[22]首次通过3D打印技术，使用纤维素纳米纤维(cellulose nanofiber，CNF)制备高性能的锂金属电池。CNF水分散液可以作为3D打印 “墨水”的理想选择[图3(c)]；采用3D打印和热解技术制备的纤维素碳纳米纤维/磷酸铁锂(LFP)正极材料[图3(c)～(f)]；打印出的电极内部的多孔结构具有很高的离子可及性，可以有效抑制不均匀锂沉积/剥离形成的枝晶；采用3D打印的锂正极和LiFePO4负极组装的电池，在充放电速率为10 C时，其容量可达80 mA·h·g-1，循环3 000次后容量保持率为85%。

图3 纤维素/炭黑复合材料的合成图及结构图和CNF墨水3D打印的LMBsFigure 3 Schematic diagrams of the preparation and the structure of the cellulose/carbon black composite，and CNF ink 3D printed LMBs

木材具有层次结构分明、机械强度大等特点，在惰性气体下经高温碳化后具有较高的导电性；木材的这些特性可以显著地促进离子和电子的快速传输，使得木材衍生的碳材料成为LIBs理想的负极材料。ZHANGetal[23]使用3D高孔隙率的碳化木(孔隙率为73%)导电骨架作为负载锂的基质，利用木材天然的低弯曲率和高孔隙率的特点，将熔融的金属Li注入到木材的直管中，为了增加碳化木与锂之间的相容性，在注入熔融的金属锂之前，在碳化木表面涂一层薄薄的ZnO；将熔融的锂金属快速地注入到木材的管道中，制备得到Li/碳化木电极。相比由单一锂金属电极组装的对称电池，Li/碳化木电极展现出更加稳定的剥离/电镀特性、更好的循环稳定性(在3 mA·cm-2时为150 h)和更低的过电位(在3 mA·cm-2时为90 mV)。YANGetal[24]以木材为原料制备了MnO/木炭复合材料，CHENetal[25]用MnO/木炭复合材料作锂电池的负极[图4(a)]；MnO纳米材料在木炭纤维表面均匀分布，MnO和木炭之间的协同效应促进了复合材料的电荷存储[图4(b)～(e)]；MnO/木炭复合材料电极在扫描速率为0.1 mV·s-1和电压范围为0.01～3.00 V时循环伏安曲线的前4圈如图4(f)所示；在3.00～0.01 V范围的阴极扫描下，在1.40 V处出现的峰归因于在煅烧过程中MnO2的不完全氧化导致Mn3+或Mn4+还原为Mn2+；在0.01～3.00 V的阳极扫描下，在1.0～1.5 V的电压范围内电极呈现出Mn0到Mn2+氧化的相关信号；图4(g)显示在电流密度为0.1 A·g-1时电极获得952 mA·h·g-1的放电容量，且经100次充放电后仍具有稳定的循环能力，库仑效率稳定在99%左右；图4(h)进一步研究了MnO/木炭纳米复合材料的倍率性能和不同电流密度下的循环稳定性，首先以0.1 A·g-1的电流密度对电池进行测试，然后将充放电的电流密度依次增大至0.2、0.5、1.0和3.0 A·g-1；经过10次循环后对应的平均充电容量分别为780、674、571、386和275 mA·h·g-1；当电流密度重新降至0.1 A·g-1时，平均容量恢复至604.0 mA·h·g-1，表明其具有良好的倍率性能和循环稳定性。

图4 MnO/木炭的制备、微观形貌和电化学性能Figure 4 Schematic diagrams of the fabrication，micromorphology and electrochemical properties of the MnO/Csample

与超级电容器相似，常规的锂电池的隔膜主要起隔离正负极、防止短路和提供锂离子通道的作用，本身不参加任何化学或电化学反应。普通的隔膜对电池容量没有任何贡献，然而它却占据了锂离子电池20%左右的体积。WANGetal[26]制备了包含多孔氧化还原活性层的木质基双层纤维素隔膜，显著增强了LIBs的电化学性能。该柔性氧化还原活化隔膜是以绝缘的介孔纤维素纤维为基质，在其表面负载导电且具有高电化学活性的聚吡咯层；前者为电极和聚吡咯-纳米纤维素提供必要的绝缘性，后者增强了纳米纤维素层机械强度，同时高电化学活性的聚吡咯通过离子脱嵌机理为电池提供额外容量；利用合成的隔膜代替传统的聚乙烯隔膜，并以LiFePO4阴极和锂金属阳极构成的LIBs的容量从0.16 mA·h增加到 0.276 mA·h。

为了提高锂电池的能量密度，降低非电化学活性成分的比例并制备厚电极是一种有效的方法。然而，普通的厚电极离子扩散能力较差，且易变形导致电极开裂并脱离集流器。CHENetal[25]受木材独特的平行通道结构的启发，将木材直接碳化，使其成为具有高导电性、多孔性、轻质和低弯曲率的碳骨架，用作多通道木炭集流器，得益于碳骨架独特的多通道结构，厚度800μm的碳骨架可负载60 mg·cm-2的LiFePO4(LFP)，进而制备成LFP-碳骨架三维电极。该LFP-碳骨架三维电极的容量可达7.6 mA·h·cm-2，且机械性能显著增强；与此同时，LFP-碳骨架三维电极具有良好的循环稳定性和容量保持率。

3 木质资源在催化析氢方向的典型应用

氢能是一种高效的可再生清洁能源，被认为是未来最有可能代替化石燃料的可再生化学燃料之一。电催化析氢是水裂解过程的阴极反应，也是获得高纯度氢气并实现可持续分布式存储的重要途径。催化剂性能是催化析氢过程中最关键的一环，催化剂性能的提高主要包括3个途径[27-28]:(1)构建层次多孔结构；(2)提高比表面积；(3)增加活性位点浓度和杂原子掺杂。木质资源及其衍生物由于其独特的结构、环保性和可持续性是制备催化剂和催化剂载体的理想材料。下文分别介绍了木质材料及其衍生物在催化析氢中作为催化剂模板、载体或原料的应用。

MoSe2自身活性位点有限且导电性差，因此，其应用受到限制。LAIetal[29]利用细菌纤维素衍生的纤维素碳纳米纤维(carbonized bacterial cellulose，CBC)为基底诱导MoSe2纳米片沿纤维径向定向生长，MoSe2聚集体的合成示意图如图5(a)和图5(b)所示。CBC的参与不仅抑制了MoSe2纳米片的团聚，同时提升其导电性和活性位点数量；由一维纳米纤维诱导生成的MoSe2纳米片呈现薄层特性(5～8层，层间距0.62 nm)，使得纳米片能充分与电解液离子接触，显著提升催化产氢的活性位点数目；MoSe2和CBC之间的协同效应有利于复合材料表现出优异的电催化产氢性能；在所测的样品中，CBC/MoSe2-2复合材料的阴极电流密度最大，在300 mV的过电位下其电流密度为87 mA·cm-2，分别为MoSe2聚集体和CBC的15和174倍[图5(c)]，说明其具有更强的析氢能力；对不同样品的塔菲尔图[图5(d)]进行分析，研究表明与单组分的CBC(112 mV·dec-1)和MoSe2聚集体(105 mV·dec-1)相比，CBC/MoSe2复合材料的塔菲尔斜率更小(55 mV·dec-1)，表明其更快的析氢速率；CBC/MoSe2复合材料在析氢过程中的电化学阻抗谱，如图5e所示；CBC/MoSe2复合材料的电荷转移电阻明显低于MoSe2聚集体，这是由于其具有三维网络结构和较大的比表面积，可实现更快的电子传输。为了研究酸性条件下CBC/MoSe2复合材料的耐久性，在扫描速率为100 mV·s-1的条件下，进行了1 000次循环伏安测试，电势范围为-0.4～0.2 V。1 000次循环前后的线性扫描伏曲线之间的差异可以忽略不计，证明复合材料是一种能够承受酸腐蚀的高稳定催化剂[图5(f)]。

图5 CBC/MoSe2复合材料和MoSe2聚集体的合成示意图和电化学性能Figure 5 Schematic diagrams of the preparation and electrochemical properties of the CBC/MoSe2 hybrid and MoSe2 aggregates

MULYADIetal[30]采用溶剂热碳化和热解工艺，将纤维素纳米纤丝转变为具有三维结构的氮磷硫掺杂的碳网络，用作无金属析氢催化剂，其制备原理如图6(a)所示。该催化剂避免了贵金属元素的使用，降低了成本。大多数的石墨烯基催化剂仅对氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)具有良好的促进作用，而氮磷硫掺杂的碳基无金属催化剂对析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)和ORR均表现出良好的催化效果。掺杂的碳基材料在初始电位233 mV具有HER性能(与可逆氢电极的电极电势相比)，331 mV(与可逆氢电极的电极电势相比)的电流密度为10 mA·cm-2，塔菲尔斜率为99 mV·dec-1[图6(b)]；将同样的材料用于ORR，它的初始电位相比于商用的Pt/C低10 mV，阴极峰值为0.84 V(与可逆氢电极的电极电势相比)；氮磷硫掺杂提高了纤维素碳纤维网络的表面粗糙度和电子传导速度，增加了反应位点数目，提高了该催化剂的催化活性。

图6 氮磷硫掺杂的碳基无金属碳催化剂的制备原理和塔菲尔谱图Figure 6 Schematic diagram of the preparation of N-， P-， and S-doped carbon-based metal-free catalysts， and the corresponding Tafel plots

木质资源中含有的碳水化合物是制备清洁燃料的良好原料。它不仅能转化为氢气，还能生产出乙醇。在室温下，太阳能驱动的光催化木质纤维素制氢是实现这一目标的绿色途径。WAKERLEYetal[31]模拟光合作用，在光照条件下，以半导体硫化镉基量子点为催化剂，催化浸泡于碱性水溶液中的纤维素、半纤维素和木质素制氢；其中，CdS/CdOx催化剂充当 “光合作用线粒体”的功能；在该体系下，除木材外，未经处理的打印纸、甘蔗渣、锯屑等木质原料或制品也呈现出一定的析氢现象。

4 木质资源在太阳能电池方向的典型应用

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接或间接把太阳辐射能转化成电能的装置。太阳能资源取之不尽，用之不竭。太阳能电池具有诸多优点[32-33]，如绿色环保，不受制于地域、海拔等因素应用范围广，无机械转动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠，体积小且轻，便于运输和安装，建设周期短。现代太阳能电池可分为3种类型[34]:染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米TiO2和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能的一种装置；量子点敏化太阳能电池，是以量子点为敏化剂的太阳能电池，与染料相比，量子点光谱吸收范围更广，具有更大的消光系数和光化学稳定性；钙钛矿太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。木质资源及其衍生物由于其独特的多孔结构、亲水性、可再生和可降解性等，可用于制备太阳能电池的多个组成部分。BRISCOEetal[35]将几丁质、壳聚糖和葡萄糖等经水热碳化所制备的碳量子点与半导体ZnO纳米棒相结合，制备了碳量子点敏化太阳能电池(图7)，器件的性能与碳量子点上的官能团紧密相关；其中，壳聚糖和几丁质衍生物结合制备的碳量子点敏化太阳能电池器件光伏电池效率最高可达0.077%；相对于一些染料敏化太阳能电池和半导体敏化太阳能电池，碳量子点敏化太阳能电池活性更高且更绿色环保。

图7 木质基碳量子点敏化太阳能电池的制备流程图Figure 7 Fabrication flow chart of wood-based carbon quantum dot sensitized solar cells

太阳能电池通常在玻璃或塑料上进行组装，然而这两种方法制得的产品不易回收。纤维素纳米材料是一种新兴的高附加值纳米材料，可从植物中提取，具有储量丰富、可再生和可持续等特点。从木质资源中分离而来的环境友好的纤维素纳米纤维，可以重组制备高透明性的膜材料。ZHOUetal[36]以纳米纤维素(cellulose nanocrystal，CNC)为基质，将太阳能电池的组分组装在高透明的CNC基质上，基于CNC基板组装的太阳能电池器件结构示意图和宏观照片如图8(a)和图8(b)所示。这种太阳能电池器件可以很容易在使用寿命结束后进行回收处理，具有良好的整流性，且光伏电池效率为2.7%；在CNC基板上组装的高效且易于回收的太阳能电池有望成为绿色、可持续的光电转换器件。利用咪唑啉类离子液体制成的凝胶聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用受到广泛关注。KHANMIRZAEIetal[37]将羟丙基纤维素添加入碘化钠(NaI)、离子液体1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓(MPII)、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯混合物中，可制备不具挥发性的凝胶聚合物电解质(HNaP)，用于制备染料敏化太阳能电池；其离子电导率最高可达7.37×10-3S·cm-1；对制备的染料敏化太阳能电池的光电流密度-电池电位(J-V)特性进行分析，含有质量分数为100%的MPII离子液体的凝胶聚合物电解质具有最佳性能，其能量转换效率可达5.79%，且短路电流密度、开路电压和填充率分别为13.73 mA·cm-2、610 mV和69.1%。

图8 基于纳米纤维素基板组装的太阳能电池器件Figure 8 Solar cell device based on CNC substrate assembly

5 发展趋势

随着自然资源的耗竭和环境的恶化，人们越来越注重可持续发展，木质材料及其衍生物由于具有环境友好性、独特的结构特性和较高的反应活性，基于增材制造和减材制造两大方向在超级电容器、锂离子电池、催化析氢和太阳能电池等能量存储与转换材料领域推广应用前景。木质材料及其衍生物的天然分层多孔结构的充分利用、表界面化学性质的深入分析以及微观结构与性能之间的构效关系分析等均为当前研究的重点。在未来的研究中，应从降低木质材料成本、提高性能、扩大应用和有效利用廉价木材产品等方面继续深入研究。努力寻找有效的提纯方法降低生产成本，开发合适的预处理溶剂体系、可回收利用的催化剂、减少化学药品及水的消耗；对木质材料及其衍生物的表面进行功能化处理，在实现高值化利用的同时更要注重遵循绿色化学的原则，避免二次污染；系统地探明木质基材料分级多孔结构与性能的关系，实现在一维纳米纤丝、二维纳米薄膜和三维凝胶等不同维度的木质基质合理设计和表面微纳米结构的精确控制；广泛挖掘材料的 “一剂多效”特性，发展新型木质基能量存储与转化材料。