【科研摘要】

现代工业的飞速发展和石油基聚合物的过度消费引发了双重危机，造成了不可再生资源和环境污染的短缺。但是，这提供了一个机会来刺激研究人员将天然生物基材料用于新型先进材料和应用。基于纳米纤维素的气凝胶，使用丰富且可持续的纤维素为原料，呈现出第三代气凝胶，其结合了具有高孔隙率和大比表面积以及纤维素本身优异性能的传统气凝胶。当前，纳米纤维素气凝胶为各种领域的广泛功能应用提供了引人注目的平台，例如吸附，分离，储能，隔热，电磁干扰屏蔽和生物医学应用。最近德国哥廷根大学张凯/南京林业大学蒋少华/段改改等科研人员在《Advanced Materials》上发表了题为Recent Progress on Nanocellulose Aerogels: Preparation, Modification, Composite Fabrication, Applications的综述。他们总结了纳米纤维素气凝胶的制备方法，改性策略，复合材料的制备以及进一步的应用，并就未来的发展前景和潜在挑战进行了额外的讨论。

【图文解析】

纤维素是自然界中最丰富的多糖之一，主要由通过1,4-β-糖苷键连接的β-d-葡萄糖单体组成。由于在C2，C3和C6位置的表面上存在大量的游离活性羟基，因此线性纤维素分子链之间存在很强的氢键(图1a)。纳米纤维素的定义是至少具有1–100 nm的尺寸，可以从天然纤维素原纤维中分离出来，并且根据来源(图1b–d)主要分为三类(图1b–d):纤维素纳米晶体(CNC)，纤维素纳米原纤维( CNFs)和细菌纳米纤维素(BNC)。

图1a)纤维素的分子链。b)CNF的透射电子显微镜(TEM)图像。c)CNC的原子力显微镜(AFM)图像。d)BNC的SEM图像。

气凝胶是一类特殊的材料，具有气体作为分散介质和连续的3D多孔网络，最早由Kistler在1931年成功制备。相反，基于纳米纤维素的气凝胶具有优异的性能，包括绿色的可复制性，良好的生物相容性和易于降解，以及先前的无机气凝胶和聚合物气凝胶的优点(低密度，大孔隙率和比表面积(SSA))，使它们成为广泛功能应用(例如有效吸附，隔热和热固性材料)的关注对象 能量存储(图2)。相反，基于纳米纤维素的气凝胶还可以弥补传统气凝胶材料(如二氧化硅(SiO2)，碳和二氧化锡)的脆性和复杂设备的缺点，这些材料已被一些研究人员所青睐，价格便宜且用于气凝胶合成的环保替代材料。

图2基于纳米纤维素的气凝胶及其应用概述。EMI:电磁干扰。

基于有关纳米纤维素气凝胶的几份报告，以及近年来有关“聚合物气凝胶”的越来越多的证据(图3)，该文对基于功能性纳米纤维素的复合气凝胶进行了综述。在第2节中，对纳米纤维素气凝胶的制备进行了一般性介绍，包括纳米纤维素气凝胶前体的合成和干燥技术分类中涉及的步骤。

图32020年10月之前Web of Science的“纳米纤维素气凝胶”和“聚合物气凝胶”的年度出版物数量。

2纳米纤维素气凝胶的制备

不同的纤维素来源和制造方法可以赋予纳米纤维素气凝胶不同的微观结构和性能。通常，基于纳米纤维素的气凝胶可通过三个步骤制备:i)纳米纤维素的分散;ii)纳米纤维素的凝胶化;iii)凝胶干燥过程。

2.1纳米纤维素的分散和胶凝

在获得前体分散体后，许多纳米纤维素气凝胶通常需要经历凝胶化过程，这有助于维持和增强气凝胶内部的3D网络。纳米纤维素的凝胶化行为通常根据凝胶的性质分为两大类:化学交联和物理交联(图4)。

图4通过化学交联和物理交联的纳米纤维素的凝胶化行为。

化学交联是指向溶液中添加特定的交联剂(多官能单体)，例如柠檬酸或戊二醛，它们可以与纳米纤维素反应并在纤维素链之间形成不可逆的共价键。 为了制造出机械强度高的气凝胶，其浓度仅为0.3重量%的纳米纤维素，浓度极低。使用1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)作为化学交联剂，以帮助TEMPO氧化的CNF形成交联网络结构。化学交联是通过CNF和BTCA的羟基和羧酸基团之间的酯化反应实现的(图5a)。添加适当的配体前体后，结合的金属离子可通过H键和物理缠结促进CNF网络内金属有机骨架(MOF)晶体的形成(图5b)。

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