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  多孔超輕氣凝膠具有極低密度和低導熱率，在絕緣，催化劑載體，組織工程和電池電極中具有廣泛的應用，其通過使用冷凍干燥獲得并因此用氣體取代凝膠的液體組分。然而，基于二氧化硅和其他無機納米粒子的氣凝膠常常表現出脆性，限制了它們的應用。納米纖維素（NC）由于可控表面化學性能，優異的機械強度和世界上最豐富的纖維素原料，從可再生纖維素中提取的NC氣凝膠被認為是替代它們的經濟和環保替代品。NC可以分為纖維素納米晶體（CNC），纖維素納米纖維（CNF）和細菌纖維素（BC），它們較大的長徑比通常會賦予NC的更高的剛性或機械強度。但CNC通常具有低長度（<500nm），除了衣殼蛋白NC外，都被認為是制備氣凝膠的較差的選擇。 BC主要從細菌和酵母中提取，制備工藝復雜，能耗高，制備周期長。因此，利用NC以簡單的途徑制備高性能NC氣凝膠具有巨大的挑戰。綜觀NC氣凝膠的研究領域，目前對NC氣凝膠性能的長徑比，表面電荷和水解方法的影響尚缺乏系統的研究。顯然，具有較大長徑比和纏結CNF的界面相互作用的帶電CNF的制備是具有強健的機械性能和穩定的三維網絡結構的物理交聯氣凝膠的關鍵點。

圖1. （a）實驗過程的示意圖，（b）姜纖維的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，（c）宏觀尺度7-CNF氣凝膠，（d）納米尺寸的7-CNF，（e）7-CNF的透射電子顯微鏡圖像和（f）相關結構尺寸的示意圖。 比例尺：（b）100μm，（c）100μm，（d）1μm和（e）200nm。

  余厚詠副教授課題組對上述問題進行了系統而全面的研究。他們使用創新的C6H8O7 / HCl酸水解浪費的姜纖維來制備具有從大孔到中孔的三維網絡結構的羧化CNF氣凝膠（圖1），這些羧基化的CNF具有83-144的高長徑比。這些羧基化的CNF有規則地排列在大面積和豐富的表面羧基上，使它們能夠纏結成具有強大抗壓強度和高形狀恢復的氣凝膠。物理交聯的CNF氣凝膠比化學交聯的和其他傳統的氣凝膠具有更高的機械性能，他們詳細研究了CNF氣凝膠的力學性能并做出了初步的機理研究（圖2）。

圖2. 可能的羧基化CNF氣凝膠的微觀交聯方式和機械增強機理

  用混酸法制備的CNF表面具有大量羧基官能團，他們繼續系統地研究了羧基化CNF對高嶺土，亞甲藍（MB），甲基橙（MO）和銅離子的吸附（吸附-絮凝）能力，并且使用偽一級動力學模型和偽二級動力學模型研究了其吸附機制（圖3）。

  他們著重研究CNF的高長徑比和豐富的羧基，改善“全纖維素”氣凝膠的力學性能和吸附性能，首次獲得密度可調，力學性能穩定，形狀從納米到宏觀的理想形狀的羧基化CNF氣凝膠，這將為通用的氣體收集器，超級電容器，吸收劑，分離裝置和壓力傳感器材料領域的科學研究和商業化生產/應用提供新的前景。

圖3. 羧基化CNF氣凝膠用于高嶺土絮凝，吸附染料（MB，MO）和重金屬離子的可能機理。

  以上相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/acsami.8b04211)。論文的通訊作者為浙江理工大學余厚詠副教授，第一作者為其課題組研究生王端超。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b04211