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 具有各向異性結(jié)構(gòu)的多孔、堅固的氣凝膠在建筑絕緣材料、石油凈化過濾器、電存儲設(shè)備等多功能材料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。當(dāng)代氣凝膠主要從化石資源中提取，近年來纖維素納米纖維（CNF）氣凝膠由于具有很高的強度/密度比和較大的比表面積/重量比而頗受關(guān)注。CNF氣凝膠由自下而上的技術(shù)合成，通常需要額外的策略來獲得高的各向異性。因此，各向異性材料的組裝是一個挑戰(zhàn)。

亮點

近日，瑞典皇家理工學(xué)院的Li Yuanyuan團隊提出了一種利用木材的自然分層和各向異性結(jié)構(gòu)來制備多孔、堅固且具有各向異性的氣凝膠的通用方法。這種氣凝膠保留了天然木材的結(jié)構(gòu)各向異性，比表面積為247m2/g，并且在95％的孔隙率下顯示出高強度。這創(chuàng)下了纖維素氣凝膠/泡沫的比表面積的歷史記錄。通過原位合成用金屬納米顆粒（Ag）和金屬氧化物納米顆粒（TiO2）裝飾該氣凝膠，用導(dǎo)電聚合物（PEDOT：PSS）涂覆并碳化制備了導(dǎo)電氣凝膠，證明了該氣凝膠具有用于傳感器、化學(xué)反應(yīng)器和電氣設(shè)備等多功能材料的潛力。

木材纖維氣凝膠的制備

研究人員以納米結(jié)構(gòu)木質(zhì)細(xì)胞壁操作為基礎(chǔ)，采用自上向下的合成方法制備了一種高度多孔各向異性的纖維素氣凝膠。該制備方法包括脫木質(zhì)素，然后使用二甲基乙酰胺/氯化鋰(DMAc/LiCl)對細(xì)胞壁進行部分溶解/再生，冷凍干燥（FD）或臨界點干燥（CPD）以形成氣凝膠。圖1說明了纖維素氣凝膠的制備過程。這種方法保留了木材的結(jié)構(gòu)各向異性，同時顯示了出眾的比表面積。在細(xì)胞腔內(nèi)形成的納米纖維和細(xì)胞壁高度排列的纖維素的結(jié)合，導(dǎo)致了高表面積與良好機械強度的罕見結(jié)合，這在氣凝膠中并不常見。

圖1.纖維素氣凝膠制備示意圖

木材纖維素氣凝膠橫截面的形貌表征

如圖2所示，主要來自木質(zhì)素的吸光發(fā)色基團被去除，形成白色紋理。去除木質(zhì)素后，細(xì)胞壁會部分分層，并且在以前富含木質(zhì)素的中間層中會產(chǎn)生空隙。最終的纖維素氣凝膠顯示出與脫木素木材相似的宏觀外觀，但納米結(jié)構(gòu)卻大不相同。從該氣凝膠橫截面的SEM圖像中可以看出，纖維的內(nèi)腔空間被納米原纖維網(wǎng)絡(luò)填充。

圖2.纖維素氣凝膠橫截面的SEM圖像

木材纖維素氣凝膠的BET表面積

N2吸附數(shù)據(jù)表明，本研究中所制備的氣凝膠的BET表面積比任何其他自上而下制備的纖維素氣凝膠的表面積都要高。圖3所展示的結(jié)果與觀察到的細(xì)胞壁孔隙率增加相一致。

圖3.纖維素氣凝膠的N2吸附實驗

木材纖維素氣凝膠的各向異性

圖2f和2i顯示保留了主要木質(zhì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致所得氣凝膠的各向異性。通過從2D廣角X射線散射（WAXS）獲得的衍射圖像的方位角積分提取方向，可以獲得關(guān)于材料的各向異性的信息。圖4結(jié)果顯示對于這種氣凝膠來說，其取向度明顯高于通過冷凍鑄造制備的CNF或基于CNC的氣凝膠或泡沫。

圖4.木材纖維素氣凝膠的廣角X射線衍射圖像

木材纖維素氣凝膠的機械性能

與文獻報道過的纖維素氣凝膠和泡沫相比，本研究中制備的氣凝膠在機械強度和BET比表面積的組合方面具有特殊性。如圖5所示，這種氣凝膠的屈服強度隨相對密度的增加而增加，其強度略高于普通各向異性氣凝膠。與普通的各向異性氣凝膠相比，該氣凝膠的顯著優(yōu)勢是BET比表面積高，同時強度降低很少。研究證明了這種氣凝膠具有高強度的同時也具有高的比表面積。

圖5.纖維素氣凝膠的機械性能

應(yīng)用

氣凝膠具有多孔性，可作為多功能復(fù)合材料的平臺，包括催化、氣體分離或液體凈化的支架，也可作為電子學(xué)中的無粘結(jié)劑電極。為了證明多功能性，通過原位合成成功地用金屬納米顆粒（Ag）和金屬氧化物納米顆粒（TiO2）裝飾該氣凝膠，用導(dǎo)電聚合物（PEDOT：PSS）涂覆并碳化生產(chǎn)了導(dǎo)電氣凝膠。

結(jié)論

在本篇文章中，研究人員制備了高度多孔的各向異性氣凝膠，與以往文獻報道的纖維素氣凝膠和泡沫相比，這種纖維素氣凝膠具有異常高的比表面積和良好的機械性能。利用該氣凝膠成功制備了導(dǎo)電氣凝膠，證明該氣凝膠具有用于傳感器、化學(xué)反應(yīng)器和電氣設(shè)備等多功能材料的潛力，我們相信這種纖維素氣凝膠在多功能材料領(lǐng)域會有更廣泛的應(yīng)用。