高度多孔、強韌的各向異性纖維素氣凝膠

具有各向異性結構的多孔、堅固的氣凝膠在建築絕緣材料、石油凈化過濾器、電存儲設備等多功能材料領域具有重要的應用價值。當代纖維素氣凝膠/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,用導電聚合物(PEDOT:PSS)塗覆並碳化制備瞭導電氣凝膠,證明瞭該氣凝膠具有用於傳感器、化學反應器和電氣設備等多功能材料的潛力。

木材纖維氣凝膠的制備

研究人員以納米結構木質細胞壁操作為基礎,采用自上向下的合成方法制備瞭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素,然後使用二甲基乙酰胺/氯化鋰(DMAc/LiCl)對細胞壁進行部分溶解/再生,冷凍幹燥(FD)或臨界點幹燥(CPD)以形成氣凝膠。圖1說明瞭纖維素氣凝膠的制備過程。這種方法保留瞭木材的結構各向異性,同時顯示瞭出眾的比表面積。在細胞腔內形成的納米纖維和細胞壁高度排列的纖維素的結合,導致瞭

高表面積與良好機械強度的罕見結合,這在氣凝膠中並不常見。

木材纖維素氣凝膠橫截面的形貌表征

如圖2所示,主要來自木質素的吸光發色基團被去除,形成白色紋理。去除木質素後,細胞壁會部分分層,並且在以前富含木質素的中間層中會產生空隙。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,但納米結構卻大不相同。從該氣凝膠橫截面的SEM圖像中可以看出,纖維的內腔空間被納米原纖維網絡填充。

高度多孔、強韌的各向異性纖維素氣凝膠-1

木材纖維素氣凝膠的BET表面積

N2吸附數據表明,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所展示的結果與觀察到的細胞壁孔隙率增加相一致。

高度多孔、強韌的各向異性纖維素氣凝膠-2

木材纖維素氣凝膠的各向異性

圖2f和2i顯示保留瞭主要木質細胞壁結構,從而導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,可以獲得關於材料的各向異性的信息。圖4結果顯示對於這種氣凝膠來說,其取向度明顯高於通過冷凍鑄造制備的CNF或基於CNC的氣凝膠或泡沫。

高度多孔、強韌的各向異性纖維素氣凝膠-3

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,其強度略高於普通各向異性氣凝膠。與普通的各向異性氣凝膠相比,該氣凝膠的顯著優勢是BET比表面積高,同時強度降低很少。研究證明瞭這種氣凝膠具有高強度的同時也具有高的比表面積。

高度多孔、強韌的各向異性纖維素氣凝膠-4

應用

氣凝膠具有多孔性,可作為多功能復合材料的平臺,包括催化、氣體分離或液體凈化的支架,也可作為電子學中的無粘結劑電極。為瞭證明多功能性,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,用導電聚合物(PEDOT:PSS)塗覆並碳化生產瞭導電氣凝膠。

結論

在本篇文章中,研究人員制備瞭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瞭導電氣凝膠,證明該氣凝膠具有用於傳感器、化學反應器和電氣設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域會有更廣泛的應用。

相关新闻