木材作為最具代表性的生物質資源之一，憑借資源儲量豐富、易于改性與可再生等特點，在構筑可持續、多功能材料方面展現出顯著優勢。近年來，研究者基于木材的化學組成特征及其獨特的多尺度結構，發展出一系列改性與功能化策略，顯著拓展了木基材料的應用邊界。通過精細的結構設計，原本不導電的天然木材可被加工為具備高電導率的導電木基材料。在實現導電化的同時，這類材料還可協同獲得導熱、光熱等多重功能，從而突破傳統生物炭體系應用場景相對單一的限制。
近期，武漢大學陳朝吉教授團隊聯合西班牙巴斯克大學Erlantz Lizundia教授在《Matter》期刊發表題為“Electrically Conductive Wood-Based Materials Beyond Biochar: Modifications, Functions, and Environmental Impact”的綜述論文（DOI：10.1016/j.matt.2025.102528）。該論文系統梳理了導電木基材料的改性與構筑策略，涵蓋表面/整體碳化、表面/整體涂覆、胞腔/細胞壁填充、原位聚合及原位還原等典型路線，并進一步總結了所制備導電木基材料的功能特性、應用場景及其環境影響。文章最后，作者以前瞻性視角討論了當前導電木基材料發展面臨的關鍵挑戰與潛在解決方案，明確提出未來研究應在下一代導電木基材料的設計上持續投入，推動高性能導電木基材料的可持續制備與應用（圖1）。
圖1 導電木基材料的“制備–應用–降解”循環經濟
文章系統總結了基于木材化學組成特征與獨特多級結構的導電木基材料構筑策略，并將其歸納為兩大類（圖2）：自導電（self-conducting）與輔助導電（assisted-conducting）。其中，自導電策略主要依賴碳化過程，將天然木材直接轉化為具備導電性的木基材料；根據碳化路徑與結構設計差異，可進一步細分為表面碳化（沿纖維方向平行或垂直取向）與整體碳化。相較之下，輔助導電策略通過引入外源導電組分賦予木基材料導電性，通常采用涂覆、填充、原位聚合與原位還原等方法，在木材微結構中構建高性能導電網絡（如碳納米管、導電高分子等），從而實現連續的導電通路。得益于上述策略，木基材料不僅能夠實現優異的電學導通，還可協同獲得導熱性、光熱轉換等多重功能，使導電木基材料的應用邊界從傳統導電材料的單一場景拓展至更廣闊的功能化體系（圖3）。
圖2 基于木材化學組成和獨特多級結構的導電木基材料加工策略
圖3 導電木基材料的導電性、導熱性、光熱效應和機械性能
基于導電木基材料的多功能特性，作者進一步系統總結并討論了其在多個關鍵領域的應用潛力：包括電化學儲能（如超級電容器、離子電池、空氣電池與液流電池）、環境修復（如電催化污染物降解、太陽能蒸發器以及污染物吸附/過濾）、電磁屏蔽、傳感器（如應變、壓力與溫度傳感）以及熱管理材料（如導熱材料與相變儲熱材料）等。
圖4 導電木基材料材料的環境影響及生態循環
此外，文章從全生命周期視角全面分析了導電木基材料的環境影響與生態循環，主要涵蓋五個方面（圖4）：①制備過程中的資源與能源消耗；②生命周期末端處置與循環經濟；③加工過程的碳足跡；④性能、穩定性與可持續性之間的權衡；⑤提升可持續性的策略。作者指出，通過進一步優化導電木基材料在制備、服役與回收環節的可持續性表現，下一代導電木基材料有望處于“可持續且功能性能具競爭力”的研究前沿。在這一轉型過程中，化石基材料將逐步被生物基材料替代，并為實現相關可持續發展目標提供支撐。
文章最后，作者以前瞻性視角系統討論了導電木基材料當前面臨的關鍵挑戰與未來機遇（圖5）。首先是規模化制造問題。樹木的天然特征（如有限的直徑與高度）從源頭上限制了自上而下（top-down）路線所能獲得的木基基底尺寸；同時，木材高度各向異性的纖維結構進一步增加了導電填料在體相內滲透與均勻分布的難度，使大尺寸導電木基材料的制備更具挑戰。第二點是工業化前景。除尺寸約束外，產業化還要求產品質量穩定且可復制。然而，木材的天然非均一性會在相同工藝條件下不可避免地引入批次差異。即便在同一樹種內，纖維素、半纖維素和木質素含量也會隨生長階段、生長環境及組織類型發生變化，進而影響制造效率與最終性能。因此，盡管導電木基材料兼具優異性能與廣闊應用前景，其產業化仍需系統應對原異質性與制備策略帶來的多重挑戰。第三點是分子設計方面。現有策略主要在微米與納米尺度對導電木基材料進行結構調控，而對更小尺度（如分子尺度）的精確工程仍明顯欠缺，導致材料常出現“設計策略–實際性能”不匹配、制備效率偏低及結構精度受限等問題。為突破上述瓶頸，未來研究應進一步聚焦分子設計這一實現精確結構控制的關鍵路徑，并結合先進表征技術、動態理論模型以及遺傳與生物技術等手段，實現從結構演化機理到性能調控的可預測設計。最后一點是生物安全和可持續性。作者強調，應在全生命周期尺度上系統評估并優化導電木基材料的生物安全與環境可持續性。理想材料不僅要具備高電學性能，還需在服役條件下保持長期穩定，并在全生命周期內實現環境“可負擔”。鑒于當前制備往往依賴多種工藝與導電添加劑的結合，未來應優先采用綠色、可回收化學品，避免有毒物質釋放造成環境污染與生態風險。同時，推動導電木基材料在“制備–應用–回收–再利用”閉環中的可持續發展，是其走向規模化與產業化未來的必要條件。
圖5導電木基材料的總結與展望：當前挑戰與未來機遇
作為一篇全面且前沿的綜述論文，本文系統梳理并深入討論了導電木基材料的發展脈絡、設計原理、功能與應用以及環境影響等關鍵內容，為綠色、可持續導電木基材料的進一步發展提供了富有深度的分析與思考。隨著規模化制備、均一性控制、分子尺度精確設計及全生命周期可持續性等關鍵問題逐步被突破，下一代導電木基材料有望進一步替代傳統、不可再生的導電材料，并為可持續材料的開發與利用提供重要支撐。
原文鏈接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00571-5
通訊作者介紹：
陳朝吉，武漢大學資源與環境科學學院教授、博士生導師。2015年博士畢業于華中科技大學，2015-2021年分別于華中科技大學與馬里蘭大學帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學資環學院組建X-Biomass課題組。從事生物質材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結構設計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續發展面臨的材料-環境-能源挑戰。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature/Science (3篇)及其子刊(15篇)等學術期刊發表SCI論文100余篇，總引用41,000余次，H因子108。獲科睿唯安“全球高被引科學家”（2021-2025連續5年入選材料科學領域）、麻省理工科技評論亞太區“35歲以下科技創新35人”、“美國化學會金發青年學者獎”、“中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎”、“Advanced Science青年科學家創新獎”、“國際材料聯合會前沿材料青年科學家獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優秀入圍獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、“R&D 100 Awards”等榮譽。擔任The Innovation Materials學術編輯，The Innovation、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon等雜志編委/青年編委，以及中國化學會纖維素專業委員會委員。
課題組網站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
Erlantz Lizundia，2011年在西班牙巴斯克大學（University of the Basque Country），獲得先進材料工程博士學位，并獲杰出博士論文獎。2016年和2018年分別加入加拿大英屬哥倫比亞大學（University of British Columbia）Mark MacLachlan教授課題和瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）材料系Markus Niederberger教授課題組開展研究，并于2021入職西班牙巴斯克大學畢爾巴鄂工程學院，為“生命周期思維研究組（Life Cycle Thinking Research Group）”負責人。他的研究致力于基于可再生材料（主要包括納米纖維素、納米幾丁質與木材）開發環境友好、可持續的材料與技術，并在利用天然來源材料構建電池、水環境修復、包裝、傳感器與致動器等方向取得了重要進展。在Nature Reviews Materials、Science Advances、Nature Communications、Chemical Reviews、Advanced Materials、Materials Today、The Innovation、Advanced Functional Materials、Small等著名學術期刊上發表SCI論文100余篇，總引用8,000余次，H因子55。
徐超，武漢大學資源與環境科學學院博士后/助理研究員，合作導師陳朝吉教授。2023年7月博士畢業于華中農業大學，2022.05-2023.05赴丹麥哥本哈根大學進行聯合培養，2023年7月至今在武漢大學從事博士后研究。博士后研究期間主要從事表面功能化木基復合材料對水環境中新興污染物的強化富集與低碳高值轉化集成體系相關研究，攻讀博士學位期間主要從事木質纖維素對秸稈基質綜合性能的預處理調控機制及化學計量學分析相關研究。當前累計發表高水平學術論文30余篇，其中以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature Communications、Matter、Bioresource Technology等國內外知名期刊發表論文13篇，授權發明專利一項。
陳露，武漢大學資源與環境科學學院博士后/助理研究員，合作導師陳朝吉教授。2020年博士畢業于南開大學，2025年2月至今在武漢大學從事博士后研究。主要從事生物質資源利用與環境水處理應用研究。入選2025年度中國博士后創新人才支持計劃，以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature Reviews Materials、Nature Communications、The Innovation、Matter、Progress in Materials Science、ACS Nano等學術期刊上發表SCI論文9篇，論文總引1,300余次，H因子18。
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