【文献解读】 ACS Sustain. Chem. Eng. 高透明，紫外屏蔽和抗水性能的木质纤维纳米纸

背景介绍

透明纳米纸，又称为纤维素纳米纸（CNP）是由纤维素纳米纤维（CNFS）制备形成，由于其固有的可再生性和生物降解性、高的光学透过率和可调谐的光散射能力以及优异的力学性能、热稳定性、印刷性，被认为是下一代“绿色”光电子的新兴衬底或功能部件。由木质纤维素衍生的透明纳米纸通常需要木质纤维素进行脱木质素过程，该过程不仅对环境不友好，而且会损伤纳米纸的性能，如水的稳定性和紫外线屏蔽能力。

近期，广西大学刘秀宇团队提出了一种绿色和简便的木质素改性方法，在不脱除木质素的基础上利用农业或工业废弃物制备透明纳米纸，并实现了木质素与纤维素的协同作用，以提高纳米纸性能。

图文解读

本研究采用碱性H₂O₂处理木质纤维素和纳米木质纤维素（LCNFs），DLCNFs是由木质纤维素通过机械研磨，然后用碱性H₂O₂脱色制备形成，DLCNFs*是由脱色后的木质纤维素通过机械研磨法制备形成。

通过红外光谱分析表明经由碱性H₂O₂处理后的纳米木质纤维素中木质素特征峰强度虽然明显减弱，但是在脱色之后纳米木质纤维素中仍然保留部分木质素主要结构，这也是该纳米纸对紫外存在优异的屏蔽效果的主要因素。

木质素的发色基团如共轭羰基、碳-碳双键和醌结构主要在315-370nm紫外光范围内有吸收，作者通过UV-vis DRS光谱分析表明DLCNFs和DLCNFs*在该紫外范围内显示出较低的ΔK/S值，且DLCNFs*由于其比较面积较高的原因，色度结构的去除率高于DLCNFs。然而图1c显示，DLCNFs和DLCNFs*的ΔK/S值依旧高于CNFs，作者认为这可能是由于碱性H2O2处理的条件相对适中。

以DLCNFs和DLCNFs*为基础，通过过滤方式制备的木质纤维素纳米颗粒被标注为DLNP和DLNP*。作者对比实验说明，纳米纸中木质素含量越低，其光透过率越高。相较于CNP，DLNP不仅具有光转移能力，还表现出相当大的光扩散能力，在辐照一周后仍旧保持相当的光稳定性和基本不变的雾度。

作者发现DLNP中残余木质素可提高纤维素基纳米纸的耐水性，降低其界面自由能阻碍纳米颗粒内的界面氢键作用，即降低纳米颗粒的机械强度。DLNP虽然机械强度被降低，但其在湿态下表现出优异的力学性能，湿拉伸强度和湿韧性分别为36.99MPa和116.63J/m3，远高于CNP。作者认为是由于DLNP的高耐水性保护了纤维间的结构不被水破坏。

进一步的，作者对比了DLNP与CNP在太阳能电池中的应用。如图6c所示，具有DLNP或CNP的太阳能电池在550nm处的反射率由37-43%降低为22-24%，此外它们的反射几乎与入射角无关，减反射效应最终还会促进太阳能电池内光吸收的增加，作者认为产生这一现象的潜在机制应该是其低折射率和纳米级表面纹理结构的存在降低了空气和半导体材料之间的折射对比度，并赋予器件与入射角无关的特性。另一方面，作者认为DLNP或CNP的高光透过率和雾度允许大多数入射光通过纳米粒子传播，增加了器件内光的吸收路径，有利于太阳能电池内更高的光电转化效率。

作者在AM 1.5G照明条件下测量太阳能电池的电流密度-电压（J-V）特性发现，在50%湿度条件下DLNP与CNP可将短路电流密度分别提高22.9%和21.14%，使电池的总功率转换效率分别提高24.09%和22.40%。作者认为以DLNP与CNP为光管理层能够一定程度上提高太阳能电池的效率。

最后，作者通过测量DLNP与CNP在95% RH下光学性能发现，在潮湿条件下DLNP作为光管理层能够保持良好的工作效率与光学性能，而CNP具有水份敏感性，在潮湿环境下会降低太阳能电池的工作效率，因此，作者认为DLNP比CNP更适于极端条件下的太阳能技术优化。

结论

作者开发了一种简单、良性的木质素改性制备路线，仅去除发色基团，实现将农工废弃物甘蔗渣转化为透明的LNP。与纤维素纳米纸相比，具有较高的光学透过率（90%），良好的雾度（46%）和优越的紫外屏蔽能力。

此外，木质素结构的保留有助于降低纳米纸表面能和中孔体积，使其具有好的水稳定性，这是衬底材料的理想特性。即使在潮湿环境下，透明的LNP也能够显著提高太阳能电池的功率转换效率。这种新开发的纳米粒子直接从丰富的生物质废弃物中获取，具有吸引人的光学性能和优异的水稳定性，是绿色光电子衬底的潜在材料。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c06752

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