生物质气凝胶VS无机和塑料气凝胶：结构设计、功能调控、资源有效利用和可持续性分析

由于现代社会能源的高速消耗和短缺，生物资源和天然有机废弃物的高效利用引起了人们的极大关注。气凝胶由于其优异的性能和在不同领域的潜在应用，在过去的几十年中一直是创新材料研究的主要方向。虽然以前科学界主要关注基于无机和塑料气凝胶，但近年来人们对基于生物质的气凝胶的兴趣日益浓厚。事实上，关于纤维素、多糖、蛋白质、多肽和其他生物衍生气凝胶的制备、改性和应用的大量研究已被广泛报道。

图1. 生物质气凝胶的广泛应用。

生物质气凝胶的制备方法通常是首先制备水凝胶模板，然后用常压干燥、冷冻干燥和超临界干燥等方法对其进行干燥，最终获得充满空气的高度多孔结构。通过结合各种水凝胶形成路线和几种干燥过程，已经成功制备了基于纤维素、半纤维素、木质素、多糖、蛋白质、多肽和其他生物大分子的非常广泛的生物质气凝胶。这些基于生物质的气凝胶具有独特的热力学、机械、光学、声学和电学特性，为它们在高性能材料和器件中的成功应用奠定了基础（如图1所示）。

图2. 生物质气凝胶的杂化及功能调控。

为了有效调整基于生物质的气凝胶的结构特征，不同的生物质基体材料，例如生物质单体、颗粒、纳米纤维和纳米片已被广泛使用。我们还可以通过自上而下合成、自下而上合成、双向冷冻、3D打印等多种组合处理技术来定制生物质气凝胶的孔隙率、周期性以及层次结构。此外，生物质气凝胶的功能调控可以通过生物质基质的表面改性，以及通过加入各种维度的纳米材料，如零维纳米粒子/量子点、一维碳纳米管/纳米线和二维石墨烯/TMD/TMO/MOF来实现（如图2所示）。毫无疑问，具有定制结构和功能的生物质混合气凝胶具有独特的化学、物理和生物学特性，将在材料科学、能源、环境、生物医学工程、生物传感器、分析等领域显示越来越广泛的应用。

图3. 无机、塑料及生物质气凝胶的可持续性足迹分析。

此外，为了展示生物质气凝胶相对于无机气凝胶和塑料气凝胶的优势，我们不仅比较了它们的特性，还通过“可持续性足迹”方法比较了它们的可持续性（如图3所示）。我们分析了12个可持续性因素，以阐明这三类气凝胶对环境、社会和经济的影响，并指出生物质气凝胶如何成为符合日益紧迫的可持续性要求材料的最佳选择。

展望

我们的可持续性分析指出了基于生物质的气凝胶如何能够很好地应对保护环境的所有组成部分日益紧迫的需求：地球、空气和水。同时，只有面对并克服低成本制造和易于大规模合成的挑战，才能实现这一目标。例如，我们概述了使用生物质气凝胶来设计功能性过滤器、膜、口罩等。事实上，这可能具有深远的影响，从环境修复到缓解全球健康问题，例如细菌或病毒相关的流行病爆发，正如最近在 COVID-19 大流行的背景下所经历的那样。

另一个紧迫的全球问题是清洁能源成功替代化石能源。在此背景下，用于转化和储存清洁能源的生物质气凝胶，如氢基能源、燃料电池和太阳能电池，有望拥有光明的未来，前提是这些材料的性能成本能够与其他新兴技术竞争。如果基于生物质的气凝胶的耐用性达到目前使用的市售材料所确立的基准，那么毫无疑问，这些超轻系统在性能和整体方面都可以胜过隔热领域的其他竞争材料。

最后，经济和技术发展产生的不断增加的电磁污染需要廉价、可扩展和轻量级的电磁干扰屏蔽材料而不影响其性能，生物质基气凝胶在这一领域显示出巨大的潜力。弥合功能和生产成本之间的差距可使生物质气凝胶成功应对这一挑战。

作者简介:

第一作者 魏刚教授,就职于青岛大学化学化工学院，“多肽纳米化学及仿生合成”团队负责人。多年来一直从事生物分子（DNA、蛋白质、多肽、生物聚合物）的设计、自组装以及仿生合成及应用研究，主持或参与完成多项德国科学基金（DFG）、国家自然科学基金科研课题以及省部级科研项目。发表研究论文 160 余篇，现为 SCI 杂志 J. Nanobiotechnology （中科院 1 区, IF 10.435）副主编，Frontiers in Chemistry（IF 5.221）编辑，Sensors、Biosensors、Applied Science、Materials、AIMS Biophys 编委。为欧盟研究委员会（ERC）、德国科学基金（DFG）、卡塔尔大学内部科学基金、以色列科学基金、波兰国家科学基金（NCN）以及德国洪堡基金会（AvH）评审人。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100915

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