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氣凝膠是一種具有極低密度和高表面積材料，優(yōu)異的傳質(zhì)性能和低熱導(dǎo)率。因此，氣凝膠在能源和與環(huán)境相關(guān)的領(lǐng)域(如儲能、電催化和水處理)顯示出巨大的應(yīng)用潛力。為了促進(jìn)它們的實(shí)際應(yīng)用，有必要開發(fā)高效、可控和低成本的方法，以可持續(xù)的方式大規(guī)模生產(chǎn)高性能氣凝膠。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)報道了利用生物質(zhì)源納米纖維模板定向水熱炭化法制備碳質(zhì)納米纖維氣凝膠(CNFAs)的總體策略。制備碳質(zhì)納米纖維表面暴露出大量的官能團(tuán)。重要的是，與傳統(tǒng)的基于自然生物聚合物的氣凝膠相比，通過調(diào)整合成參數(shù)，CNFAs獲得了良好的可回收性和高強(qiáng)度的優(yōu)越組合。這種材料的成功合成為快速水處理裝置的設(shè)計(jì)和建造提供了一個極好的平臺。本文提出的綜合策略和可持續(xù)發(fā)展的概念將為制備具有獨(dú)特性能的先進(jìn)氣凝膠開辟新的途徑。相關(guān)研究成果以“Robust Carbonaceous Nanofiber Aerogels from All Biomass Precursors”以為題目，發(fā)表于期刊《Advanced Functional Materials》上。

圖1 多種生物質(zhì)來源的納米纖維合成碳質(zhì)納米纖維氣凝膠的過程示意圖。

綜上，作者開發(fā)了一種通用和可持續(xù)的策略，用于可控制備具有剛性三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的全生物質(zhì)衍生碳質(zhì)納米纖維氣凝膠。多種生物質(zhì)來源的納米纖維，包括淀粉樣納米纖維、胺化纖維素納米纖維、去乙酰化幾丁質(zhì)納米纖維，被用于模板定向HTC。通過調(diào)節(jié)合成參數(shù)(生物質(zhì)納米纖維模板的類型、模板與葡萄糖的比例和反應(yīng)時間)，可以很容易地調(diào)節(jié)CNFs的微觀結(jié)構(gòu)(直徑、長度)和氣凝膠的物理性能(表觀密度、楊氏模量和屈服應(yīng)力)。當(dāng)達(dá)到臨界條件(ma?d = (ρa(bǔ)?da2)/La)時，才能得到碳質(zhì)納米纖維凝膠。

圖2 CNFA用于快速去除染料。

結(jié)合碳質(zhì)納米纖維表面暴露的多種官能團(tuán)的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種經(jīng)濟(jì)的自制水凈化裝置，實(shí)現(xiàn)了對染料的快速去除(3183 L h^?1 m^?2)和高通量(60 L, 1 mg L^?1 MB的去除率保持在90%以上)。作者期待這種合成具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的CNFAs的可持續(xù)方法將為生物聚合物氣凝膠的商業(yè)應(yīng)用開辟更多的機(jī)會，特別是在吸附劑、分離器、保溫材料、緩沖材料等領(lǐng)域。

截至2019年，全球塑料產(chǎn)量達(dá)到3.68億噸，其中一次性塑料制品占比較大40%。這些塑料制品，尤其是一次性杯子、塑料袋、餐具，面臨回收地點(diǎn)分散、浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。同時，超過80%的一次性塑料垃圾被掩埋或直接排放到自然環(huán)境中，但塑料很難自然降解(可能需要數(shù)百年)。另外，塑料制品在整個分解過程和日常使用過程中都會釋放出微塑料(MPs)，這將進(jìn)一步對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)報道了一種由食品級安全的馬尾藻纖維素納米纖維(SCNF)制成的一次性可生物降解餐具，該纖維具有優(yōu)良的機(jī)械和熱性能。首先，作者以馬尾藻工業(yè)廢棄物為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種提取馬尾藻廢棄物的有效方法，得到了一種可食用的馬尾藻纖維素納米纖維。隨后，通過自下而上的水凝膠逐層法制備了馬尾藻纖維素納米纖維結(jié)構(gòu)材料（SCNSM）。

這種基于馬尾藻纖維素的食品安全結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和熱性能。為了展示這種食品安全材料的潛在應(yīng)用，作者將其加工成餐具，這顯示了其優(yōu)異的加工性能。此外，這種基于SCNSM的餐具還可以通過聚乳酸（PLA）和姜黃素進(jìn)行改性，以獲得更好的防水性和抗菌性。相關(guān)研究成果以“Edible, Ultra-strong, and Thermal-stable Seaweed-based Structural Material for Tableware”為題目發(fā)表在《Advanced Materials》上。

圖1 SCNF的提取及SCNSM的制備。

圖2 馬尾藻剝落過程和馬尾藻纖維素納米纖維微觀表征。

圖3 馬尾藻纖維素納米纖維結(jié)構(gòu)材料的表面抗菌特性。

綜上所述，基于豐富的海藻工業(yè)廢料中的纖維素，作者開發(fā)了一種制備食品安全CNF的策略，并構(gòu)建了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能、熱性能和耐水/油性能的海藻基可生物降解餐具。SCNSM中SCNF之間的強(qiáng)氫鍵相互作用使SCNSM基餐具具有高強(qiáng)度、高模量、高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，是可降解和不可降解塑料餐具的一種很有前景的替代品。該餐具由馬尾藻纖維素納米纖維結(jié)構(gòu)材料制成，經(jīng)過疏水抗菌處理后，還可作為長效餐具使用。

參考資料：https://mp.weixin.qq.com/s/agyjC1uVQovQbpvkLJqR5g