马里兰大学胡良兵教授课题组：超级阳离子木头

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纳米多孔材料在海水淡化，能量转化，以及离子和分子的纳米过滤方面具有很大的应用潜力。目前大量研究集中于带有阴离子型纳米通道的材料，大规模制备带有阳离子的纳米通道，且高离子导电性的纳米薄膜需要进一步研究。

为解决这一挑战，近日，马里兰大学的胡良兵教授团队利用天然木材中高度有序的纤维素纳米纤维的特性，通过化学改性在天然木头中引入阳离子基团，制备出一种具有高致密结构，高强度，高离子导电性能的超级阳离子木头膜。研究表明通过醚化反应以及密实化处理，阳离子木头膜拉伸强度高达350 MPa；超级阳离子木头膜中的纤维素纳米纤维存在大量的纳米通道，其最大离子导电性可达~1.3 mS cm^-1。

图1. (a) 超级阳离子木头膜的制备过程; (b) 本研究在湿态时的力学性质及离子导电性

该工作充分利用天然木头中纤维素的定向排列的结构以及纤维素易进行化学改性的特点，首次直接将阳离子基团(-(CH₃)₃N⁺Cl^-)直接引入在天然木材的纤维素中，Zeta电位由-27 mV增加到+37 mV, 不仅增加了木头中纤维素的表面电荷密度，而且使得原本带负电的纤维素能够在电解液中呈现正电性。进一步的密实化处理显著提高了阳离子木头膜的力学性质（在干燥状态下高达350 MPa，湿润状态下98 MPa）, 该紧密的结构不仅保证了木材基膜的高强度，也消除了天然木材中不利于离子传输的微孔孔道。

图2. （a）可大规模生产的木材基离子导电膜 （b）天然木材具有典型的多孔结构 （c）密实化处理消除木材中微米级孔道，超级阳离子木头膜显示出紧密的结构（d）SEM放大图显示出高度排列的纳米纤维（e）经过化学改性后木材中纤维素，半纤维素以及木质素的变化（f）和（h）超级阳离子木头膜在湿态下的力学性质

研究发现，经过密实化处理后，超级阳离子木头膜的厚度减少了近10倍。由于阳离子木头膜中高度定向的纳米纤维产生了大量的纳米通道，以及增强的表面电荷密度，使得超级阳离子木头膜具有阴离子选择性，在常温下其离子导电性能比天然木头提高两个数量级。本研究的超级阳离子木头膜显示出优异的力学性能及高离子导电性能，为可再生，天然基纳米流体材料的制备提供新思路。

图3. （a）天然木头与超级阳离子木头膜照片（b）离子在纳米纤维通道中的传输（c）离子导电率的测试装置（d-f) 天然木头，改性木头以及超级阳离子木头膜的离子导电率的数据及比较。

图4. 天然木头具有阳离子选择性，而超级阳离子木头膜显示出其阴离子选择性

以上成果发表在《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201902772)上，通讯作者为马里兰大学胡良兵教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201902772

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