《ACS Nano》：高度多孔、强韧的各向异性纤维素气凝胶
具有各向异性结构的多孔、坚固的气凝胶在建筑绝缘材料、石油净化过滤器、电存储设备等多功能材料领域具有重要的应用价值。当代气凝胶主要从化石资源中提取，近年来纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶由于具有很高的强度/密度比和较大的比表面积/重量比而颇受关注。CNF气凝胶由自下而上的技术合成，通常需要额外的策略来获得高的各向异性。因此，各向异性材料的组装是一个挑战。
亮点
近日，瑞典皇家理工学院的Li Yuanyuan团队提出了一种利用木材的自然分层和各向异性结构来制备多孔、坚固且具有各向异性的气凝胶的通用方法。这种气凝胶保留了天然木材的结构各向异性，比表面积为247m2/g，并且在95％的孔隙率下显示出高强度。这创下了纤维素气凝胶/泡沫的比表面积的历史记录。通过原位合成用金属纳米颗粒（Ag）和金属氧化物纳米颗粒（TiO2）装饰该气凝胶，用导电聚合物（PEDOT：PSS）涂覆并碳化制备了导电气凝胶，证明了该气凝胶具有用于传感器、化学反应器和电气设备等多功能材料的潜力。
木材纤维气凝胶的制备
研究人员以纳米结构木质细胞壁操作为基础，采用自上向下的合成方法制备了一种高度多孔各向异性的纤维素气凝胶。该制备方法包括脱木质素，然后使用二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAc/LiCl)对细胞壁进行部分溶解/再生，冷冻干燥（FD）或临界点干燥（CPD）以形成气凝胶。图1说明了纤维素气凝胶的制备过程。这种方法保留了木材的结构各向异性，同时显示了出众的比表面积。在细胞腔内形成的纳米纤维和细胞壁高度排列的纤维素的结合，导致了高表面积与良好机械强度的罕见结合，这在气凝胶中并不常见。
图1.纤维素气凝胶制备示意图
木材纤维素气凝胶横截面的形貌表征
如图2所示，主要来自木质素的吸光发色基团被去除，形成白色纹理。去除木质素后，细胞壁会部分分层，并且在以前富含木质素的中间层中会产生空隙。最终的纤维素气凝胶显示出与脱木素木材相似的宏观外观，但纳米结构却大不相同。从该气凝胶横截面的SEM图像中可以看出，纤维的内腔空间被纳米原纤维网络填充。
图2.纤维素气凝胶横截面的SEM图像
木材纤维素气凝胶的BET表面积
N2吸附数据表明，本研究中所制备的气凝胶的BET表面积比任何其他自上而下制备的纤维素气凝胶的表面积都要高。图3所展示的结果与观察到的细胞壁孔隙率增加相一致。
图3.纤维素气凝胶的N2吸附实验
木材纤维素气凝胶的各向异性
图2f和2i显示保留了主要木质细胞壁结构，从而导致所得气凝胶的各向异性。通过从2D广角X射线散射（WAXS）获得的衍射图像的方位角积分提取方向，可以获得关于材料的各向异性的信息。图4结果显示对于这种气凝胶来说，其取向度明显高于通过冷冻铸造制备的CNF或基于CNC的气凝胶或泡沫。
图4.木材纤维素气凝胶的广角X射线衍射图像
木材纤维素气凝胶的机械性能
与文献报道过的纤维素气凝胶和泡沫相比，本研究中制备的气凝胶在机械强度和BET比表面积的组合方面具有特殊性。如图5所示，这种气凝胶的屈服强度随相对密度的增加而增加，其强度略高于普通各向异性气凝胶。与普通的各向异性气凝胶相比，该气凝胶的显著优势是BET比表面积高，同时强度降低很少。研究证明了这种气凝胶具有高强度的同时也具有高的比表面积。
图5.纤维素气凝胶的机械性能
应用
气凝胶具有多孔性，可作为多功能复合材料的平台，包括催化、气体分离或液体净化的支架，也可作为电子学中的无粘结剂电极。为了证明多功能性，通过原位合成成功地用金属纳米颗粒（Ag）和金属氧化物纳米颗粒（TiO2）装饰该气凝胶，用导电聚合物（PEDOT：PSS）涂覆并碳化生产了导电气凝胶。
结论
在本篇文章中，研究人员制备了高度多孔的各向异性气凝胶，与以往文献报道的纤维素气凝胶和泡沫相比，这种纤维素气凝胶具有异常高的比表面积和良好的机械性能。利用该气凝胶成功制备了导电气凝胶，证明该气凝胶具有用于传感器、化学反应器和电气设备等多功能材料的潜力，我们相信这种纤维素气凝胶在多功能材料领域会有更广泛的应用。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01888
来源：高分子科学前沿
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