浙江理工大学姚菊明教授团队余厚咏副教授课题组在高长径比纤维素纳米纤维自交联气凝胶取得新突破
多孔超轻气凝胶具有极低密度和低导热率，在绝缘，催化剂载体，组织工程和电池电极中具有广泛的应用，其通过使用冷冻干燥获得并因此用气体取代凝胶的液体组分。然而，基于二氧化硅和其他无机纳米粒子的气凝胶常常表现出脆性，限制了它们的应用。纳米纤维素（NC）由于可控表面化学性能，优异的机械强度和世界上最丰富的纤维素原料，从可再生纤维素中提取的NC气凝胶被认为是替代它们的经济和环保替代品。NC可以分为纤维素纳米晶体（CNC），纤维素纳米纤维（CNF）和细菌纤维素（BC），它们较大的长径比通常会赋予NC的更高的刚性或机械强度。但CNC通常具有低长度（<500nm），除了衣壳蛋白NC外，都被认为是制备气凝胶的较差的选择。 BC主要从细菌和酵母中提取，制备工艺复杂，能耗高，制备周期长。因此，利用NC以简单的途径制备高性能NC气凝胶具有巨大的挑战。综观NC气凝胶的研究领域，目前对NC气凝胶性能的长径比，表面电荷和水解方法的影响尚缺乏系统的研究。显然，具有较大长径比和缠结CNF的界面相互作用的带电CNF的制备是具有强健的机械性能和稳定的三维网络结构的物理交联气凝胶的关键点。
图1. （a）实验过程的示意图，（b）姜纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像，（c）宏观尺度7-CNF气凝胶，（d）纳米尺寸的7-CNF，（e）7-CNF的透射电子显微镜图像和（f）相关结构尺寸的示意图。 比例尺：（b）100μm，（c）100μm，（d）1μm和（e）200nm。
余厚咏副教授课题组对上述问题进行了系统而全面的研究。他们使用创新的C6H8O7 / HCl酸水解浪费的姜纤维来制备具有从大孔到中孔的三维网络结构的羧化CNF气凝胶（图1），这些羧基化的CNF具有83-144的高长径比。这些羧基化的CNF有规则地排列在大面积和丰富的表面羧基上，使它们能够缠结成具有强大抗压强度和高形状恢复的气凝胶。物理交联的CNF气凝胶比化学交联的和其他传统的气凝胶具有更高的机械性能，他们详细研究了CNF气凝胶的力学性能并做出了初步的机理研究（图2）。
图2. 可能的羧基化CNF气凝胶的微观交联方式和机械增强机理
用混酸法制备的CNF表面具有大量羧基官能团，他们继续系统地研究了羧基化CNF对高岭土，亚甲蓝（MB），甲基橙（MO）和铜离子的吸附（吸附-絮凝）能力，并且使用伪一级动力学模型和伪二级动力学模型研究了其吸附机制（图3）。
他们着重研究CNF的高长径比和丰富的羧基，改善“全纤维素”气凝胶的力学性能和吸附性能，首次获得密度可调，力学性能稳定，形状从纳米到宏观的理想形状的羧基化CNF气凝胶，这将为通用的气体收集器，超级电容器，吸收剂，分离装置和压力传感器材料领域的科学研究和商业化生产/应用提供新的前景。
图3. 羧基化CNF气凝胶用于高岭土絮凝，吸附染料（MB，MO）和重金属离子的可能机理。
以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/acsami.8b04211)。论文的通讯作者为浙江理工大学余厚咏副教授，第一作者为其课题组研究生王端超。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b04211
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