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西南大學黃進教授團隊 Cellulose：基于纖維素納米晶與有機金屬框架結合的氣凝膠
2023-09-02  來源：高分子科技

  活性炭、沸石等氣體吸附材料的不可降解性易在服役后造成二次污染，相比之下，以納米纖維素等可再生可降解材料為代表的生物質基氣凝膠兼具高吸附性和環(huán)境友好性。以纖維素納米晶（cellulose nanocrystals，CNC）為例，通過表面修飾活性功能基團后，不僅能調控以CNC為基材的氣凝膠孔隙結構，還能使之獲得選擇性的化學吸附能力。值得注意的是，多數基于凍干法制備的生物質基氣凝膠面臨孔隙尺寸過大的科學難題，這些亞微米級或更大的孔隙通常有非常高的吸附通量，但不具備足夠高的比吸附量。尤其是CNC等納米材料，在高濃度或固態(tài)下傾向于自聚集并難以形成微孔。因此，誘導CNC在吸附材料中有序組裝，構建含大量介孔和微孔的分級孔隙結構，全面強化CNC基氣凝膠的氣凝吸附性能，對制備可降解型氣體吸附多孔材料具有顯著的指導意義。


  西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室團隊如圖1所示基于CNC的表面修飾改性，誘導CNC在MIL-100(Fe)金屬有機骨架（metal organic framework，MOF）中聚集組裝，形成含介孔和微孔的高孔隙率材料，進而利用與CNC具有良好相容性的聚乙烯醇制備了含大量大孔的高力學性能氣凝膠（圖2和3所示）。結果表明， CNC表面可原位生長MIL-100(Fe)框架材料并獲得比表面積達442 m2?g-1的多孔顆粒，聚乙烯醇（PVA）的引入則進一步提高了介孔的含量并提供了高吸附通量所須的大孔。所得可降解材料的密度近至0.216 g·cm?3，比吸附量達0.357 mmol CO2?g-1，這使其成為制備輕質CO2收集器的高潛力材料，而不會造成二次污染。


圖1 MIL100(Fe)@OCN粒子和MIL-100(Fe)@OCN/ PVA氣凝膠制備示意圖。右下角的照片是蒲公英種子上的圓柱形MIL-100(Fe)@OCN/PVA氣凝膠


圖2  (a)不同MIL?100(Fe)的OCN、MIL-100(Fe)和MIL-100(Fe)@OCN的比表面積；(b) OCN、 (c) MIL-100(Fe)20@ OCN、(d) MIL-100(Fe)50@ OCN、(e) MIL-100(Fe)20@ OCN、(f) MIL-100(Fe)的孔徑分布，其中CPV為累積孔體積；(g) 不同MIL?100(Fe)的OCN、MIL-100(Fe)和MIL-100(Fe)@OCN顆粒中主要孔隙的平均大小。 


圖3 (a) PVA、(b) OCN/PVA、(c-f)  MIL-100(Fe)OCN/ PVA氣凝膠的SEM圖像。


  該研究工作以“Hierarchical pores in degradable polymer?based aerogel for CO2 adsorption”為題發(fā)表在Cellulose期刊（DOI: 10.1007/s10570-023-05365-8），獲得國家自然科學基金（51973175）等多個項目的資助，西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室黃進教授為通訊作者。


  原文鏈接： https://doi.org/10.1007/s10570-023-05365-8

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（責任編輯：xu）
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