石化基泡沫由于质轻、耐老化和耐腐蚀，在包装、隔热和减震等领域具有广阔的应用前景，但其不易生物降解的特性给生态环境带来了巨大危害。纤维素具有可再生、无毒、可降解等优势，是制备可降解泡沫的理想材料。然而，目前纤维素基泡沫通常使用冷冻干燥和超临界二氧化碳干燥法进行制备，不仅设备昂贵，而且能耗较高，不符合“双碳”大背景下材料行业的发展趋势。因此，开发兼具制备工艺简单、成本能耗低、可降解的纤维素基泡沫仍然面临挑战。
为解决这一挑战，武汉大学陈朝吉教授团队和中国林科院林化所刘鹤研究员团队基于超分子化学策略，合理设计并利用纤维素分子与膨润土间的配位作用，实现了纤维素/膨润土泡沫的室温制备。这种泡沫具有高强度、高热稳定性、优异可降解性和可回收性等优势，对于实现包装、隔热行业“碳中和”目标具有重要的现实意义（图1）。
图1 纤维素/膨润土（Cel/BT）泡沫的制备
为了更深刻地理解纤维素与BT间的相互作用以及这种作用力对材料“干燥过程-结构”的影响，作者首先对纤维素/膨润土（Cel/BT）泡沫的形貌和结构进行了系统研究。不同于室温制备的纤维素泡沫出现结构塌陷，室温干燥获得的Cel/BT泡沫拥有稳定的三维多孔网络结构，BT均匀分布其中，表明纤维素与BT之间的相互作用避免了室温干燥过程中毛细管力驱动的结构塌陷。为进一步揭示纤维素与BT之间的相互作用对室温制备Cel/BT泡沫的影响，作者利用密度泛函理论（DFT）计算了室温干燥时水分子与Cel-BT表面的电子转移量（图2）。理论计算结果显示水分子在纤维素表面的电子转移量为0.6e，是Cel-BT表面电子转移量（0.2e）的3倍，表明水分子与纤维素存在更强相互作用力。此外，水分子穿过纤维素表面的扩散能垒（0.722eV），显著大于Cel-BT表面的能垒（0.049eV），表明纤维素与BT之间的相互作用促进了水分子从Cel/BT体系中扩散和去除。综上，实验和理论计算结果共同表明：纤维素与BT之间的配位作用是实现Cel/BT泡沫室温制备的主要原因。
图2 纤维素与膨润土之间相互作用的表征和DFT模拟
得益于纤维素与BT间形成的Al−O−C配位键，Cel/BT泡沫展现出较高机械性能，Cel/BT泡沫的压缩模量高达39.4 MPa，远远高于纤维素泡沫、PP泡沫、PS泡沫、EPE泡沫、PU泡沫（2倍至4个数量级）。同时，Cel/BT泡沫在高强度红外辐射下仍具有优异的隔热性能，且在250 ℃下仍保持稳定，优于商用石化基泡沫。此外，Cel/BT泡沫在环境友好性、可持续利用性和经济性上均较传统泡沫材料体现出较大的优势（图3），具体体现在：Cel/BT泡沫掩埋在土壤中三个月后降解，纤维素被分解后进入碳循环，膨润土则进入地质循环，证明了Cel/BT泡沫材料优异的环境友好性。废弃后的Cel/BT泡沫可以被100%回收利用，表现出良好的可持续性，符合闭环循环经济的发展需求。此外，作者结合生命周期评价（LCA）对比研究Cel/BT泡沫和石化基泡沫对安全性、环保性、能效和经济效益等方面的影响，结果表明Cel/BT泡沫比石化基泡沫材料的环境影响低至99%，优势显著。
图3 纤维素/膨润土泡沫的环境影响
上述研究成果以“Scalable Production of Biodegradable, Recyclable, Sustainable Cellulose–Mineral Foams via Coordination Interaction Assisted Ambient Drying”为题在线发表于期刊《ACS Nano》上。该研究工作由武汉大学、中国林科院林化所、南京林业大学和华中农业大学共同协作完成，武汉大学资源与环境科学学院博士研究生陈露为论文第一作者，中国林科院林化所博士研究生王思恒为论文共同第一作者，武汉大学陈朝吉教授和中国林科院林化所刘鹤研究员为论文共同通讯作者。感谢南京林业大学王珊珊教授、华中农业大学王真教授和陈畅副教授对论文工作提供的理论计算模拟和生命周期评估帮助。感谢武汉大学（Grant no. 691000003）、湖北达雅生物科技股份有限公司（Grant no. 250071570）和江苏省林业科技创新推广项目（Grant no. LYKJ[2021]04）对该工作的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c05635
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