俞书宏院士《Angew》：纯天然木质气凝胶！一e测试

推荐使用微信扫码登录/注册

使用微信扫码，一键绑定微信，可更快速更及时
更方便的获得订单相关信息与优惠活动

俞书宏院士《Angew》：纯天然木质气凝胶！

2023-01-15 14:25:26 0 331

一、研究背景

木材作为一种多功能的材料和丰富的资源，由于其出色的特性，包括低密度、低导热性、良好的机械性能和可持续性，几千年来一直被广泛使用。尽管天然木材有许多明显的优点，但它也不是没有问题，其易燃性和有限的尺寸严重限制了它在许多领域的应用。为了在克服缺点的同时发扬其优点，人们对基于各种耐火构件和可扩展的自下而上方法的仿木材料给予了极大的关注。直径几十微米的类木排列通道结构使这些材料具有独特的各向异性机械和热性能，这使得它们在机械支撑、隔音、水净化和隔热等应用方面具有良好的性能。

近年来，基于对木材结构的认识，各种具有独特物理性能和广泛用途的仿木材料被开发出来，其中具有优良隔热性能的气凝胶是最重要的研究课题之一。一方面，以往基于塑料和树脂的仿木气凝胶在隔热性能方面已经可以优于现有的商业海绵材料，但它们存在着生物降解性差的严重局限，会导致废弃物的堆积和众多的环境问题。另一方面，基于纳米级构件的类木气凝胶也受到其可持续性不足和高成本的限制，这源于其纳米级成分的制备。因此，面对不可持续的问题，开发低成本、低能耗、环境友好的新型构件将对类木气凝胶的发展起到关键作用。此外，具有类似木材排列结构的多孔材料也可以通过去除实际木块中的木质素而获得，这显示了一种有趣的自上而下的策略，将天然原料加工成热绝缘体。

二、研究成果

木材的定向孔隙结构赋予了它各种出色的特性，其中低导热性吸引了研究人员开发类似木材的气凝胶作为优秀的保温材料。然而，日益增长的环境保护要求对气凝胶的可持续性提出了新的、严格的要求。在此，中国科学技术大学俞书宏院士、管庆方研究团队报告了一种由全天然成分组成的全天然木质气凝胶，并开发了一种激活表面惰性木质颗粒的方法来构建该气凝胶。获得的木质灵感气凝胶具有类似于天然木材的通道结构，使其具有优于现有大多数商业海绵的隔热性能。此外，它还具有显著的阻燃性和完全的生物可降解性。凭借上述出色的性能，这种可持续的木质灵感气凝胶将成为现有商业保温材料的理想替代品。相关研究工作以“An all-natural wood-inspired aerogel”为题发表在国际顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

三、图文速递

图1. 全天然木质气凝胶的制备和应用

在这里，为了实现碳中和和减少塑料污染的目标，研究者报告了一种自下而上的策略，利用天然生物质和矿物中现有的纳米结构来制备一种具有良好隔热性和防火性的全天然木质气凝胶。通过暴露存在于微观生物质颗粒中的纳米级纤维素，这些颗粒之间的相互作用明显增强，使得用它们构建类木气凝胶成为可能。仿木结构大大降低了这种气凝胶的热导率，使其具有17.4 mW m^-1K^-1的超低激热导率。同时，由于添加了天然粘土纳米片，该气凝胶的耐火性也得到了极大的改善，它可以承受1300℃的高温火焰至少20分钟而不被烧穿。它的热绝缘性和耐火性优于天然轻木和大多数商业海绵，使其成为现有商业热绝缘体的理想替代品。此外，它的天然木质结构块使这种气凝胶具有良好的生物降解性和可持续性，从而减少了废弃的隔热材料对环境的负面影响。

图2. SNWPs的特征

图3. 全天然木质气凝胶的木质通道结构表征

天然木材拥有沿生长方向的定向通道结构（图1a和b），并吸引了科学家的广泛关注。全天然木质气凝胶的类似木材的通道结构是通过冻铸技术制造的，这是最近研究中构建这种定向通道的非常有效的方法。在冻铸法中，溶剂（一般是水）沿着温度梯度结晶，从而将溶质压缩成壁，然后通过冻干将冰升华，在此期间，冰所占据的空间成为定向通道。在这项工作中，海藻酸钠和纳米粘土被添加到SNWPs中，形成均匀的水悬浮液，然后将其倒入放置在浸泡在液氮浴中的冷指上的模具中（图1d）。然后，经过冻干，得到了具有类似木材结构的全天然气凝胶（图1e和f，图3g）。受益于冷冻铸造方法，所获得的全天然气凝胶具有大规模制备、快速成型和可定制形状的优点，而这些优点是天然木材通过自上而下的方法极难实现的（图3a和m）。

图4. 全天然木质气凝胶的热导率

凭借其独特的定向通道结构，木材在建筑中具有比其他结构材料更好的隔热性能。同样，由于设计了类似木材的结构，全天然木质气凝胶也表现出良好的热绝缘性能。图4a显示，全天然木质灵感气凝胶的平均导热系数（λ）与密度呈正相关，因为较低的密度意味着较高的孔隙率，这更有利于材料的热绝缘。由于全天然木质灵感气凝胶的各向异性通道结构，它在径向的λ要比轴向的低得多。较低的径向λ可以随着密度的降低而实现，当密度为20 mg cm^-3时，它的径向λ极低，为17.4 mW m^-1 K^-1，仅约为天然轻木的一半。至于与全天然木质气凝胶成分相同的各向异性气凝胶，在相同的密度下，其平均λ与全天然木质气凝胶相似，这可以归因于气凝胶相似的孔隙率对应相似的λ。然而，由于缺乏定向通道结构，各向异性气凝胶的轴向和径向热导率之间没有明显差异。

图5. 全天然木质气凝胶的卓越阻燃性能

全天然木材启发的气凝胶还显示出显著的阻燃性能。该材料的热稳定性通过热重分析（TGA）进行了评估。气凝胶在空气中的热解过程表现出三个主要阶段，分别对应脱水阶段、氧化热解阶段和碳氧化阶段。全天然木材启发的气凝胶和木质颗粒的热重曲线显示出木炭产量的增加，这表明纳米粘土在木质颗粒的碳化过程中起到了促进作用。此外，纳米粘土/木头复合材料的形成大大推迟了接下来两个阶段的木炭氧化。所有这些特点赋予了全天然木材启发的气凝胶在大气中加热时更好的耐火性。

四、结论与展望

研究者报告了一种激活生物质颗粒表面的表面改性策略，并通过自下而上的构造方法，利用天然原料实现了全天然木质灵感气凝胶的生产。在这一过程中，所生产的全天然木质灵感气凝胶具有比大多数商业海绵材料和天然轻木更好的隔热性能和阻燃性能。此外，这种全天然木质灵感的气凝胶是完全可生物降解的，使用后不会对环境造成危害，使其成为大多数商业保温材料的理想替代品。这种环境友好型气凝胶具有良好的隔热和防火性能，减少了碳足迹，这应该是科学界和材料实际应用中始终关注的问题。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209511

本文为e测试原创，未经允许，禁止转载！