用于可持续电子产品的木质素：结构、形态与化学性质在介电性能建模中的相互作用

《Journal of Materials Chemistry A》：Lignin for sustainable electronics: the interplay of structure, morphology and chemistry in modelling dielectric properties

本研究通过电化学阻抗谱（EIS）和宽带介电谱（BDS）对比了Kraft制浆（L1、L2）和乙醇 organosolv 法提取（L3）的木质素作为介电材料和超级电容器活性层的性能。结果表明：L2因高硫酸盐含量和纤维状结构表现出优异的混合电导和快速电容-电阻转换特性；L3因低聚合度和高羟基含量实现平衡的离子扩散与电容性能；L1因高聚合度和致密结构导致电荷迁移受限。研究表明木质素提取工艺和化学组成对其电子器件性能有显著影响，其中 organosolv 法提取的L3在低频电容性能方面最优，为绿色电子材料开发提供了新方向。

　　本研究聚焦于一种极具潜力的可持续材料——木质素，探索其在先进电子应用中的表现。木质素作为木质素纤维素生物质加工过程中的主要副产物，因其复杂的芳香结构、丰富的脂肪族和芳香族醚键，以及含有羟基和羧基等功能基团，而展现出独特的化学和电子特性。在本研究中，我们对三种不同的木质素样品进行了比较分析：其中两种（L1和L2）来源于传统的Kraft木质素提取工艺，而第三种（L3）则通过乙醇有机溶剂法从卡农菊（Cynara cardunculus）中提取。这些木质素被用作集成电极（IDE）电子设备的活性层，旨在揭示其组成、结构、形貌及化学特性对介电弛豫动力学和电荷传输机制的影响。

为了深入理解这些木质素的性能，我们采用了一系列先进的分析技术，包括电化学阻抗谱（EIS）、奈奎斯特图（NP）、宽带介电谱（BDS）以及复功率（CP）表示法。这些方法帮助我们识别了木质素在不同频率下的响应特性，并评估了其在电子设备中的应用潜力。所有样品均在相同的IDE平台、频率窗口、统一的BDS形式化模型以及通用的EIS电路设计下进行测试，以确保结果的一致性和可比性。

研究结果表明，木质素的提取工艺对其性能具有显著影响。L1表现出平滑且致密的形貌，具有较高的聚合度，这种结构虽然提供了良好的化学稳定性，却限制了电荷的迁移能力，导致其在电性能和电容性能方面表现不佳。相比之下，L2呈现出纤维状结构，含有较高的羧基和灰分，显著增强了其导电性和电容性。L3则具有介于L1和L2之间的形貌，富含脂肪族羟基，这使其在化学和结构特性上达到一种平衡，从而在介电和电容性能方面表现出色。通过这些研究，我们揭示了木质素作为多功能介电材料的潜力，尤其在超级电容器等应用中。

木质素的复杂结构使其在电子性能方面的表现与合成有机聚合物有所不同。它是由对香豆醇、松柏醇和联苯醇等随机共聚而成的无定形聚合物，其化学连接方式尚不完全清楚，尤其是在重复单元的真实序列方面。这使得对其性质的理论预测变得困难。此外，木质素的提取过程会影响其化学组成，包括灰分含量、羧基、酚羟基等，同时也会导致分子骨架的修饰。这些因素进一步影响了其在电子设备中的性能表现。许多研究在不考虑这些杂质的情况下直接使用木质素，这可能忽略了一些关键因素，从而影响其实际应用效果。

为了更全面地评估木质素的电性能，我们选取了三种不同来源的木质素样品，并在相同的条件下进行溶液处理，以确保实验的一致性。这三种木质素因其不同的化学组成和提取方法，呈现出不同的灰分和功能基团含量以及聚集行为，从而影响其在电子设备中的性能表现。本研究采用了EIS和BDS技术，以揭示木质素的复杂聚合结构、形貌和化学特性与其电荷存储和传输特性之间的关系。这些技术能够捕捉到聚合物链的振动、离子电荷电流和分布以及氧化还原反应信号，为评估木质素在不同电子和储能设备中的应用潜力提供了关键信息。

在EIS分析中，我们发现L1和L3在高频下的电性能相似，而L2则表现出更低的高频电阻和更明显的电容性特征。通过分析奈奎斯特图，我们发现L2和L3在±0.8 V下表现出类似于超级电容器的特征，这表明其具有较高的电化学活性。而L1则在低频区域表现出不同的行为，这与它的结构和化学特性密切相关。我们进一步通过BDS分析揭示了木质素在不同频率下的介电弛豫过程，包括α、β和电极极化（EP）等。这些弛豫现象与木质素的分子量、聚合度、羟基和羧基含量密切相关。

在BDS分析中，我们观察到L1表现出两个明显的介电峰，分别对应β弛豫和电极极化，而L2和L3则表现出不同的弛豫特征。L2在低频区域表现出更复杂的α弛豫峰，这可能与其聚合度较低有关。L3则表现出介于L1和L2之间的弛豫行为，这与其较高的脂肪族羟基含量有关。通过分析这些介电特性，我们发现木质素的化学组成对其电导率和电荷迁移能力有显著影响。L2由于含有较高的灰分和羧基，表现出较高的电导率，而L3则在化学和结构特性之间达到了较好的平衡。

研究还发现，木质素的形貌对其电性能有直接影响。L1由于其高溶性，形成了较为均匀的薄膜，而L2由于较低的溶性，表现出粗糙的表面和纤维状结构，这可能有助于提高其导电性。L3则具有中间的形貌，其较高的脂肪族羟基含量促进了与溶剂的氢键形成，从而提高了其在低频区域的电容性能。此外，我们还发现灰分含量对木质素的电导率和电容特性有显著影响，尤其是在L2中，较高的灰分含量可能促进了混合的电子-离子传导机制。

在超级电容器（SC）性能评估方面，我们通过复功率分析揭示了木质素在不同频率下的响应特性。L2在高频下表现出快速的电容-电阻转变，这可能与其较高的灰分含量和纤维状结构有关。L3则在低频下表现出较强的电容性能，这与其较高的脂肪族羟基含量和适度的羧基含量有关。通过分析这些参数，我们发现L2和L3在超级电容器应用中表现出不同的优势，而L1则由于其结构和化学特性限制了其性能表现。

本研究的结论表明，木质素的性能与其来源和提取方法密切相关。Kraft木质素作为工业标准，提供了可靠的电性能和环境友好特性，而通过有机溶剂提取的L3则展现出更高的纯度和结构均匀性，适合用于高性能的电子器件。通过选择具有不同结构和化学特性的木质素，我们可以评估其在不同应用场景下的表现，从而指导未来可持续电子材料的设计。此外，研究结果还为木质素在电子设备中的应用提供了实际的参考，包括电荷存储和介电-电容层的开发路径。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了木质素在电子应用中的潜力，强调了其化学组成、结构和形貌对电性能的影响。这些发现不仅有助于理解木质素在不同电子器件中的行为，还为未来可持续电子材料的研发提供了重要的理论依据和实践指导。木质素作为一种丰富的天然资源，其在电子和储能领域的应用前景广阔，尤其是在开发环保型材料方面，具有重要的意义。