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  多孔超輕氣凝膠具有極低密度和低導(dǎo)熱率，在絕緣，催化劑載體，組織工程和電池電極中具有廣泛的應(yīng)用，其通過使用冷凍干燥獲得并因此用氣體取代凝膠的液體組分。然而，基于二氧化硅和其他無機(jī)納米粒子的氣凝膠常常表現(xiàn)出脆性，限制了它們的應(yīng)用。納米纖維素（NC）由于可控表面化學(xué)性能，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和世界上最豐富的纖維素原料，從可再生纖維素中提取的NC氣凝膠被認(rèn)為是替代它們的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保替代品。NC可以分為纖維素納米晶體（CNC），纖維素納米纖維（CNF）和細(xì)菌纖維素（BC），它們較大的長徑比通常會(huì)賦予NC的更高的剛性或機(jī)械強(qiáng)度。但CNC通常具有低長度（<500nm），除了衣殼蛋白NC外，都被認(rèn)為是制備氣凝膠的較差的選擇。 BC主要從細(xì)菌和酵母中提取，制備工藝復(fù)雜，能耗高，制備周期長。因此，利用NC以簡單的途徑制備高性能NC氣凝膠具有巨大的挑戰(zhàn)。綜觀NC氣凝膠的研究領(lǐng)域，目前對(duì)NC氣凝膠性能的長徑比，表面電荷和水解方法的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究。顯然，具有較大長徑比和纏結(jié)CNF的界面相互作用的帶電CNF的制備是具有強(qiáng)健的機(jī)械性能和穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物理交聯(lián)氣凝膠的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1. （a）實(shí)驗(yàn)過程的示意圖，（b）姜纖維的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，（c）宏觀尺度7-CNF氣凝膠，（d）納米尺寸的7-CNF，（e）7-CNF的透射電子顯微鏡圖像和（f）相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的示意圖。 比例尺：（b）100μm，（c）100μm，（d）1μm和（e）200nm。

  余厚詠副教授課題組對(duì)上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的研究。他們使用創(chuàng)新的C6H8O7 / HCl酸水解浪費(fèi)的姜纖維來制備具有從大孔到中孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的羧化CNF氣凝膠（圖1），這些羧基化的CNF具有83-144的高長徑比。這些羧基化的CNF有規(guī)則地排列在大面積和豐富的表面羧基上，使它們能夠纏結(jié)成具有強(qiáng)大抗壓強(qiáng)度和高形狀恢復(fù)的氣凝膠。物理交聯(lián)的CNF氣凝膠比化學(xué)交聯(lián)的和其他傳統(tǒng)的氣凝膠具有更高的機(jī)械性能，他們?cè)敿?xì)研究了CNF氣凝膠的力學(xué)性能并做出了初步的機(jī)理研究（圖2）。

圖2. 可能的羧基化CNF氣凝膠的微觀交聯(lián)方式和機(jī)械增強(qiáng)機(jī)理

  用混酸法制備的CNF表面具有大量羧基官能團(tuán)，他們繼續(xù)系統(tǒng)地研究了羧基化CNF對(duì)高嶺土，亞甲藍(lán)（MB），甲基橙（MO）和銅離子的吸附（吸附-絮凝）能力，并且使用偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型研究了其吸附機(jī)制（圖3）。

  他們著重研究CNF的高長徑比和豐富的羧基，改善“全纖維素”氣凝膠的力學(xué)性能和吸附性能，首次獲得密度可調(diào)，力學(xué)性能穩(wěn)定，形狀從納米到宏觀的理想形狀的羧基化CNF氣凝膠，這將為通用的氣體收集器，超級(jí)電容器，吸收劑，分離裝置和壓力傳感器材料領(lǐng)域的科學(xué)研究和商業(yè)化生產(chǎn)/應(yīng)用提供新的前景。

圖3. 羧基化CNF氣凝膠用于高嶺土絮凝，吸附染料（MB，MO）和重金屬離子的可能機(jī)理。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/acsami.8b04211)。論文的通訊作者為浙江理工大學(xué)余厚詠副教授，第一作者為其課題組研究生王端超。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b04211