马里兰大学胡良兵/李腾教授 Nano Lett.：离子交联助力纤维素-石墨泡沫材料的常压制备

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泡沫材料因轻质、高比表面积、低热导和抗冲击性被广泛应用于隔热、吸声、储能、水处理和包装等领域。大部分商用泡沫材料由石油基塑料或合成聚合物制成，如聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺等，在自然条件下较难降解和循环利用。纤维素作为地球上最丰富的天然聚合物之一，具备低成本、优异的力学性能和天然可降解等优势，被认为是取代石油基塑料的最具前景选项之一。但是目前纤维素泡沫材料的大规模制备，尤其是干燥过程受限于缺乏高效的、可大面积制备的方法。例如，通过冷冻干燥法可制备出纳米蜂窝结构的纤维素泡沫材料，但长的干燥时间（>48 h）及高能耗限制了该方法的大规模应用。因此，亟需开发一种高效的、可大规模制备纤维素泡沫材料的方法。

图1. 常压干燥纤维素-石墨泡沫材料的示意图

近日，马里兰大学胡良兵教授/李腾教授在Nano Letters上发表了利用离子交联工艺实现轻质、高压缩强度和优异水稳定性的纤维素-石墨泡沫材料的常压制备研究。基于金属阳离子和带负电的纤维素分子链间的相互作用，纤维素凝胶在常压干燥时可抵抗增加的毛细作用力以阻止多孔结构坍塌，从而实现纤维素泡沫材料的常压干燥。相比于冷冻干燥工艺，干燥时间缩短了近80%。他们采用该方法制备的纤维素-石墨泡沫材料展现出平均孔径200 μm的微孔结构。由于离子交联作用，纤维素泡沫材料在水中表现出优异的水稳定性。并且一价的K⁺,二价的 Ca²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, 三价的Al³⁺,Fe³⁺均可被用于离子交联制备纤维素泡沫材料，确认了该方法良好的通用性。

图2. 纤维素-石墨泡沫材料的常压制备和表征

为了进一步揭示不同离子的交联作用，他们采用DFT计算了金属离子与纤维素分子链间的结合能，其中三价离子的结合能高于二价和一价，与实验结果基本吻合，还发现二价中Ca⁺的结合能最高。随后通过金属离子与纤维素间的差分电荷密度来揭示相同价态离子与纤维素间的结合能强弱。他们发现Zn⁺与纤维素作用时，电子转移仅发生在Zn⁺和-COO^-之间，而Ca⁺和整个纤维素分子链发生了更高的电子转移。

图3. 纤维素与金属离子间相互作用的DFT计算结果

他们提出了一种利用离子交联实现轻质、高压缩强度和优异水稳定性的纤维素-石墨泡沫材料的常压制备方法。该方法在低成本、高效制备环保泡沫材料领域展现了巨大的潜能。

原文链接：

Fabrication of Cellulose−Graphite Foam via Ion Cross-linking and Ambient-Drying

Ruiliu Wang,a Chaoji Chen,a Zhenqian Pang,a Xizheng Wang,a Yubing Zhou, Qi Dong, Miao Guo, Jinlong Gao, Upamanyu Ray, Qinqin Xia, Zhiwei Lin, Shuaiming He, Bob Foster, Teng Li,* and Liangbing Hu*

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00167

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