近日，国际材料科学领域顶级期刊Advanced Functional Material（先进功能材料）在线报道了题为“Hierarchically Porous Cellulose Membrane via Self-Assembly Engineering for Ultra High-Power Thermoelectrical Generation in Natural Convection”（“分子自组装工程构筑分层多孔纤维素膜，实现自然环境中高性能热电转化”）的研究论文。这是球盟会娱乐官网材料工程学院生物质基功能材料研究中心陈礼辉教授团队在纤维素材料高值化利用领域最新成果。球盟会娱乐官网为本文第一完成单位，球盟会娱乐官网材料工程学院的李建国副教授、陈礼辉教授和加拿大英属哥伦比亚大学林学院的姜峰教授为共同通讯作者，博士研究生孙浩东为第一作者。
该工作通过溶解再生技术来诱导纤维素分子链自组装成多层次的网络结构，制备出不含第二相、多层次的微纳孔结构纤维素膜。纤维素膜分层结构和微纳孔径结构网络赋予其优异的宽带光谱响应，使其具有很强的反射太阳能量的能力，在AM1.5处的太阳反射率达到了95%。结合纤维素丰富的热辐射官能团C-O和C-O-C键，能够与寒冷的外太空进行辐射热交换，从而能够在白天和夜间自发实现高效的温度梯度。通过将多孔纤维素膜与热电机集成，利用其自发产生的巨大温差从而实现热能向电能的高效转化。
该纤维素热电模块能够自发产生14.5°C的温度梯度，白天的平均输出电压高达76 mV，分别是原始模块温差和输出电压的17和30倍。此外，纤维素热电模块可以轻松的组建成大规模集成热电矩阵，在自然对流的条件下，能够实现1.5 V的输出电压和3 W/m2的功率密度。该工作通过纤维素分子诱导设计构建了分层多孔的结构，使其具备优异的光谱响应，与其丰富的红外热属性官能团结合，自发的产生冷源，作用于热电机温差调控，突破了其形成温度梯度差，输出功率低的问题。该工作进一步的拓展了纤维素材料高值化利用的应用场景，也为纤维素材料高值化利用带来新的设计与制造思路。
陈礼辉教授团队近期在纤维素材料高值化利用领域已经开展了一系列研究，目前在国际期刊《Chemical Engineering Journal》（2021, 425: 131469；2023, 455: 139786）和《Carbohydrate Polymers》（2023, 314: 120948）分别报道了题为“Strong, robust cellulose composite film for efficient light management inenergy efficient building”、“A recyclable, up-scalable and eco-friendly radiative cooling material forall-day sub-ambient comfort”和“Solution-processable, robust and sustainable cooler vianano-structured engineering”的研究成果。分别介绍了纤维素与高分子聚合物构建可宽带光管理透明材料的作用机制和应用场景；利用成熟的制浆造纸技术制备可回收、可持续的纤维素辐射制冷纸；纳米纤维素与无机材料耦合构建高强度且具有柔韧性的纤维素辐射体材料。通过对纤维素微纳米结构设计和宽带光谱响应调控，拓宽了纤维素功能材料的应用场景，提升了纤维素高值化的利用潜力。
论文的研究得到了“十三五”国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、球盟会娱乐官网优秀博士学位论文资助基金项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307960