一、木质素迁移的化学调控与界面重构

  针对传统木材疏水化改性，通常依赖（1）脱木质素工艺与（2）化学改性的两步法思路。然而木质素本身具备疏水特性，直接舍弃不仅是对生物质资源的浪费，更造成大量黑水污染物，造成环境不然，不符合使用生物质材料的绿色发展初衷。另一方面，化学改性大量依赖石油基高分子材料，尤其是疏水化改性往往会用到长链烷烃、硅烷、或氟化物改性。尽管此类改性效果卓绝，其带来的原料成本、合成工艺、以及环境压力，依然有待提高。

  本研究创新性地提出“木质素保留-再分布”策略。通过对甲苯磺酸（p-TsOH）的酸性水热体系（80°C，0.5-2 h），选择性断裂木质素-碳水化合物的醚键（保留大部分β-O-4键），促使木质素分子从细胞壁中间层向细胞壁表面迁移（图1）。溶剂置换处理诱导木质素再生为200-500 nm球形颗粒，通过π-π堆叠和氢键作用锚定于纤维表面，形成木质素原位重组木材（Lig-Wood）。

图1 p-TsOH处理诱导木质素迁移的机理示意图

  经热处理，得益于再生木质素的颗粒形貌以及其表面减少的吸水性羟基，Lig-Wood显著提升材料疏水性（图2a）。SEM下可以明显看到纳米木质素小球在木材表面孔结构处的大量富集。FTIR谱中1592 cm^-1（芳香骨架振动）和1505 cm^-1（木质素C=C振动）特征峰强度增加（图2b），XPS分析显示，处理后的木材表面C-O含量从34.2%提升至41.5%，证实木质素羟基的暴露（图2c），种种结果均表明木质素化学结构完整性得以保留。（成分分析结果显示，对甲苯磺酸溶解和水解半纤维素，木质素成分大量保留。

图2 XPS C1s谱对比未处理木材与Lig-wood的表面化学组成变化。

二、超疏水界面的构筑与性能表征

  木质素表面重组显著改变木材的润湿特性。接触角测试表明，Lig-wood的静态水接触角（WCA）达148°±2°，滚动角低至20°（未处理木材WCA=65°），且其静态接触角在10分钟测试期间能稳定保持>145°（图3a）。SEM与AFM显示木质素在木材表面析出形成纳米球结构（图3b），与Cassie-Baxter模型高度吻合。动态蒸汽吸附（DVS）实验进一步证实，Lig-wood在90%相对湿度下的吸湿率显著低于未处理木材，表明其优异的环境稳定性。

图3 (a) 静态接触角随时间变化曲线；（b）AFM三维形貌图对比（左：未处理木材；右：Lig-wood）。

三、固液摩擦电机制与能量转换效率

  研究团队构建了以Lig-wood为摩擦负极的单电极L-S TENG系统（图4a）。当水滴（6 μL）以12 rpm水滴滴落频率冲击表面时，输出开路电压达2.8 V，短路电流5 nA，分别是未处理木材的7.5倍和6倍（图4b）。这种性能提升归因于：

  1.电荷密度优化：木质素的酚羟基具有极性能促进电子从水相向固相转移，表面木质素的π共轭体系能提供丰富的电子陷阱态，帮助实现电荷积累；

  2.接触分离动力学：超疏水表面使水滴接触时间缩短，完成高效的接触-分离过程，实现高频电荷转移，相反未处理木材表面被水润湿不利于电荷转移；

  3.界面耐久性：连续2000秒循环测试后，电压测试值保持稳定鲜有衰减，归功于材料表面化学性质的稳定性。

图4 (a) L-S TENG工作示意图；（b）Lig-Wood固液摩擦发电效率与原始木材(Native wood)对比。

四、多功能集成与实际应用验证

  Lig-wood展现出多场景应用潜力：

  1.能量收集系统：12块Lig-wood串联后，在模拟降雨条件下（30 cm落差，6 rpm雨滴滴落频率）成功驱动LED灯泡及数字计时器的点亮（图5a）；

  2.普适性验证：橡木、胡桃木等不同树种经相同处理后，WCA均>145°，，证明工艺的广泛适用性（图5b）；

  3.抗微生物性能：在土壤模拟环境中暴露100天后，未处理木材表面霉菌覆盖率显著增加，而Lig-wood保持洁净。其抗菌机理源于木质素酚类物质能够抑制微生物的生长。此外，木质素的超疏水性可阻止水渗透，从而为细菌和真菌的生长创造不利的环境。

图5多模块串联系统的实景发电演示与多种木材品种处理普适性。

五、技术挑战与未来方向

  尽管成果显著，以下问题仍需突破：

  1.环境耐受性：长期稳定性实验显示，1h滴水后WCA下降至130°，需开发木质素-生物基聚合物复合保护层；

  2.规模化制备： p-TsOH使用浓度高，需优化闭环工艺降低生产成本；

  3.能量存储整合：木材多孔易形成微电容存储电荷，输出功率对木材厚度要求高，亟待开发定制化能量管理电路。

  未来研究将聚焦于木质素界面迁移-析出-附着过程的深入机理研究，以进一步提升界面性能，探索该技术在建筑一体化光热转换-摩擦电混合系统中的应用，以及对疏水性高分子浸入改性木头的合成方法研究。

  此项工作为木质素作为摩擦电负极材料提供了新的可能性，他们利用木材的天然成分以及其木质素的本征化学性质，对木材本征成分进行重构，提取木材内部木质素到表面，利用木质素天然的属性获得颗粒形貌从而获得疏水特性，从而避免使用附加添加材料以及含氟化合物，证实其作为绿色摩擦发电材料的可行性。Rojas教授在文章中指出，“最好的技术往往藏在自然里——我们只是学会了倾听木材的‘语言’。”

  此项研究突破了木质材料功能化的传统范式，通过精准调控木质素的空间分布与界面化学，实现了木材从结构材料向智能器件的跨越。其科学价值不仅在于开发了一种高效的可再生能源收集平台，更在于为生物质资源的高值化利用提供了理论框架。随着界面工程与纳米技术的深度融合，木质基功能材料有望在绿色能源、智能建筑等领域开启新的技术革命。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504381