ACS Nano: 各向异性木材气凝胶的制备及其功能化

背景介绍：

气凝胶是一种高孔隙度的固体材料，通常由水凝胶材料发生液-气交换获得。它拥有超大的比表面积和较低的密度，可应用于建筑绝缘保温材料、超级电容器电极材料等功能性材料中。天然聚合物（细菌纤维素、木质纳米纤维素、海藻酸盐、淀粉、壳聚糖）基气凝胶由于其良好的机械力学性能、环境友好、来源绿色等特性受到了广泛的研究与关注。其中，纤维素基气凝胶拥有较低的导热系数、可调的孔隙和电导率，可应用在建筑隔热材料、药物载体、电子器件中的。

近日，瑞典皇家理工大学瓦伦堡木材科学研究中心的Yuanyuan Li研究员在ACS Nano期刊发文，以轻木块体为原材料，利用自上而下的方法得到了各向异性的木材气凝胶（Wood aerogel）材料。本文为实体木材的高附加值利用提供了更加简便、更低能耗的新方法。

图文解读

作者首先将轻木块在含有1%亚氯酸钠的乙酸缓冲液（Ph=4.6）中浸泡18h除去绝大部分（90%）木质素（Delignification）。此过程中不仅保持了原始木材的层次结构，还增大了木材的孔隙度和化学药剂的可及度。其次将上述Delignified wood进行多次乙醇-二甲基乙酰胺（DMAc）溶剂置换，并将其浸泡在含有8% LiCl的 DMAc/LiCl混合溶液中24h，溶解了部分木材细胞壁物质。最后经过在丙酮溶液中再生、超临界干燥得到了木材气凝胶（Wood aerogel）。图2、图3所示为木材实验过程各个阶段的组分含量、密度、孔隙度、比表面积、形貌的变化。

可以看出，最终得到的Wood aerogel中细胞壁层有明显的分离，并形成了一定的孔隙。此外，再生处理后在导管内部形成的纳米级的三维纤维素网络结构，进一步增大了Wood aerogel的比表面积（247 m² g^-1）和孔隙度。与此同时，由于木材中I型纤维素的溶解生成了更多无定形的纤维素，Wood aerogel的结晶度较原始木材降低。经过广角X射线衍射分析，其整体的纤维素取向度升高。最后，作者对处理过程中材料的力学性能进行了分析。虽然材料的密度、抗压强度、杨氏模量、屈服强度随着化学处理逐步降低。考虑到Wood aerogel较大的比表面积，其力学性能在同类材料中已非常突出。

除了对所得到的Wood aerogel的物理化学性能进行表征，作者还将该气凝胶作为模板与Ag、TiO₂纳米颗粒、PEDOT:PSS进行了复合，并将其分别应用在太阳能蒸汽发电、光催化剂、超级电容器中，说明了Wood aerogel在高科技领域中巨大的应用潜力。

总结

作者利用木材组分在常温下溶解-再生的方法从低廉的轻木块体中得到了各向异性、大比表面积、良好机械力学性能的木材气凝胶。它拥有独特的微-纳米相结合的结构及排列良好的轴向通道，能够促进了活性物质在材料内部的轴向传导。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.0c01888

Jonas. Garemark; Xuan. Yang; Xia. Sheng; Ocean. Cheung; Licheng. Sun; Lars. A. Berglund; Yuanyuan. Li. Top-Down Approach Making Anisotropic Cellulose Aerogels as Universal Substrates for Multi-Functionalization. ACS Nano. 10.1021/acsnano.0c01888