東華大學隋曉鋒團隊Prog.Poly. Sci.：纖維素多孔材料在環境、能源和健康領域的多方面應用

【引言】

纖維素多孔材料（CPM）結合了纖維素和多孔材料的優點。一般來說，纖維素多孔材料的低密度、高比表面積、易化學修飾性和相互連接的多孔結構有利于裝載和釋放分子客體。這些特性賦予多孔纖維素材料在能量儲存和轉化、催化劑載體、吸附、分離和生物材料等方面的重要技術意義。由于結構和功能的多樣性、易于獲得和可再生性，功能性纖維素多孔材料近年來引起了人們的極大關注。

【成果簡介】

近日，在東華大學隋曉鋒教授和荷蘭特文特大學G. Julius Vancso教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，一直在積極探索CPM的多方面應用。團隊報道了這些材料的設計、制備、表征和在油水分離、重金屬吸附、隔熱、催化劑載體、電磁干擾屏蔽、熱電材料、抗菌材料和傷口愈合等方面的應用。在此，將重點介紹環境、能源和健康等三個主要應用領域的最新進展。同時也討論了目前阻礙功能性CPM應用的挑戰、可能的解決方案以及未來的前景。在介紹了CPM的重要性之后，首先對其制備進行了簡要概述。隨后，重點介紹了它們在環境方面的應用，包括污染物吸附、油水分離、作為環保催化劑載體、電磁屏蔽和二氧化碳捕獲等。然后對超級電容器、離子電池和絕熱材料在能源中的應用進行了綜述。無毒是生物材料的關鍵，也是纖維素的先天優勢。因此，還考慮將其用于醫療保健，如傷口敷料、細胞培養支架、藥物傳遞和壓力傳感器。該成果以題為“Multifaceted applications of cellulosic porous materials in environment, energy, and health”發表在了Prog.Poly. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1?在微孔材料中觀察到的典型形貌

圖2 疏水性有機硅烷制備疏水性CPM

圖3?雙層結構的纖維素海綿的制備過程及性能表征

圖4?PAMAM-g-CNFs的合成示意圖

圖5?MOF-纖維素混合氣凝膠的示意圖

圖6?Ni納米顆粒修飾的3D木材衍生碳作為催化劑

圖7?纖維素基空氣過濾器的制備過程示意圖

圖8?聚多巴胺/銀改性的纖維素復合海綿作為EMI屏蔽材料

圖9?引入高濃度胺官能團的CNC氣凝膠

圖10?電容納米材料摻入纖維素氣凝膠結構

圖11?離子注入電池的制備和性能

圖12?纖維素基雜化納米材料的機械性能和耐燃性表征

圖13?纖維素-GPTMS-殼聚糖（CGC）海綿的機理示意圖

圖14?NCG/PPy復合氣凝膠的制備及性能表征

圖15?CNF氣凝膠的制備及性能表征

【小結】

纖維素資源豐富、環境友好、可生物降解。這在一定程度上證明了目前人們對CPM迅速增長的興趣，將這類材料推向了生物聚合物研究和相關技術轉變的前沿。然而，獲得功能化CPM的復雜制備過程為大批量應用帶來了挑戰。雖然在某些情況下，生物基微孔纖維素的機械性能足夠高，但仍無法與其合成的商業同類材料的性能相媲美。CPM的環境應用具有明顯的優勢，但與相同功能的合成平臺相比，由于成本較高，仍未得到充分的利用。在儲能、電池、隔熱等高性能能源應用中，它們也是一個非常好的選擇，成本劣勢并不嚴重。CPM在體外生物材料領域已經得到了廣泛的研究，但由于其有限的生物降解性，在體內使用的CPM的研究受到了阻礙。化學修飾或物理雜交的新方法為開發獨特的功能性CPM生物材料帶來了新的機遇。目前，制備CPM最有效的方法是冷凍干燥和超臨界流體干燥。由于方法上的限制，這一路徑的CPM無法大規模制備，限制了其目前的使用，阻礙了技術的發展。為實現規模化利用，需要努力建立常溫常壓干燥方法。該領域正在迅速發展，隨著對生物基材料和環境友好型技術的需求不斷增長，在未來幾十年，該領域會繼續發展。

文獻鏈接：Multifaceted applications of cellulosic porous materials in environment, energy, and health（Prog.Poly. Sci.， 2020，DOI:10.1016/j.progpolymsci.2020.101253）

本文由木文韜翻譯編輯。

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