科学网—东北林业大学陈文帅教授团队：可持续的纳米纤维素吸湿气凝胶-材料研究述评（英文）的博文
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2024-6-28 11:10
| 个人分类: AMR Account | 系统分类: 论文交流
东北林业大学陈文帅教授团队：可持续的纳米纤维素吸湿气凝胶
近日，东北林业大学陈文帅教授团队的AMR述评文章“Nanocellulose Building Block for the Construction of Hygroscopic Aerogels”在线发表。文章介绍了纳米纤维素的制备策略及其纳米结构特征，阐述了不同类型的纳米纤维素吸湿气凝胶的制造方法及其层级结构特征，讨论了吸湿气凝胶在除湿、大气集水和湿气发电等领域的应用，同时还总结了吸湿气凝胶的当前挑战和未来前景。
关键词：纳米纤维素；吸湿气凝胶；除湿；大气集水；湿气发电
In addition to its abundance, renewability, and eco-friendliness raw materials, nanocellulose also holds a distinct advantage in the fabrication of hygroscopic materials, owing to its inherent, high crystalline, one-dimensional polymer nanostructure.
1 文章内容简介
大气中的水分无处不在，为人类的生产、生活和周围环境提供了丰富的机会，同时也带来了诸多挑战。一方面，人们可以从空气中获得干净的饮用水，并利用空气湿度创造清洁能源。另一方面，世界各地仍有很多人在每一年的不同时段遭遇到由极低或极高湿度引发的干旱或潮湿的危害。因此，空气湿度的可持续管理对于人类创造舒适的生活方式至关重要。冷却冷凝和干燥剂吸附是调节大气湿度的常用方法，但它们仍然面临一系列挑战，包括能源消耗、效率、操作简便性和普适性等。吸湿材料可以通过吸收空气中的气态水自发地调节环境湿度。构筑单元的选择和组装对实现吸湿材料的性能优化及批量化生产制造至关重要。
纳米纤维素是一种由高等植物合成的一维聚合物纳米纤维材料，具有可持续和丰富的原材料、高结晶度、丰富的表面羟基以及优异的力学和热学特征，是制备吸湿材料的理想构筑单元。通过简易的工艺，可以将纳米纤维素组装成纤维、薄膜和凝胶等宏观体结构。将纳米纤维素与各种吸湿盐整合，可制备出轻质、自支撑的吸湿气凝胶。一旦放置于空气中，气凝胶即可快速吸附空气中的湿度，将其转化成液态水并储存在内部。通过控制组分比例、制备工艺和前驱体浓度，以及引入新的活性组分和加工方法，可以制造出一系列具有不同结构和特性的纳米纤维素吸湿气凝胶。
在这篇述评中，作者们以团队近年来的研究成果为基础，介绍了利用纳米纤维素作为吸湿气凝胶构筑单元的最新研究进展。首先，介绍了关于纳米纤维素的基础科学知识，重点着眼于木质纳米纤维素的机械解纤法制备。然后，详细描述了不同类型的纳米纤维素吸湿气凝胶的制备方法及其层级结构特征，并对气凝胶的吸湿性能进行了分析。接下来，深入讨论了吸湿气凝胶在除湿、大气集水和湿气发电等方面的应用。最后，总结了这一新兴领域所面临的挑战，并对未来前景进行了展望。
2 请问您选择该领域的初心是？
空气中有大量的水，但常常因为无形而被忽视。空气湿度过高或过低都会带来严重危害，但若能合理利用，空气中的水分也会给人类带来很多机遇。植物通过蒸腾与水分相互作用，其内部的纤维素纤丝因表面含有丰富的羟基而具有优异的亲水性。将纳米纤维素从植物中解离并制造不同类型的宏观体材料，在实验室级别已经非常成熟了。作为构筑单元，我们希望不仅发挥原材料的丰富性、可再生性和环境友好性，还应充分发挥纳米纤维素独特的、源于植物本源的一维聚合物纳米结构优势，为吸湿材料和集水材料领域的不断革新提供丰富的生物聚合物基新材料供应。
3 请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
尽管吸湿气凝胶的研究已经取得了一定的进展，但关于这类材料的开发和实际应用仍面临诸多挑战。首先，气凝胶仍然受到成本、尺寸和能耗的限制，需要深入开发廉价且可扩展的制备方法。其次，通过大气集水器件收集的水，其饮用安全性仍然需要系统地评估。此外，吸湿气凝胶在吸附一定量的水分后会泄漏液体，从而污染环境。吸湿气凝胶的低能耗再生和可持续循环利用仍然具有挑战。最后，很多湿气发电研究存在电极损耗问题，不利于长久使用，需要通过结构设计和利用惰性电极来实现湿电单元的可持续运行。若能科学合理地解决上述科学问题，这一新兴领域将有可能出现很多现今仍无法预测的新的研究机会。
作者团队简介
陈文帅 ，东北林业大学教授、博士生导师，生物质材料科学与技术教育部重点实验室副主任。黑龙江省青联常委、黑龙江省“新青年奖”十佳人物、黑龙江省青年五四奖章。国家级青年人才、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目获得者。入选中国科协青年人才托举工程项目、国家林业和草原局林草科技创新青年拔尖人才、龙江学者青年学者。主要从事木材物理学研究，在林木纤丝解聚、重组与高效利用方面做出一系列创新性研究工作。在 Nature Sustainability 、 Nature Communications 、 Advanced Materials 、 Chemical Society Reviews 等期刊发表研究论文100余篇。入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。获授权国家发明专利10余项。在科学出版社出版学术著作2部、出版英文书章1部。获2023 Energies Award、梁希林业科学技术奖自然科学二等奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖、中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖、黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金等奖励。现担任中国青年科技工作者协会会员、中国化学会纤维素专业委员会委员、东北林业大学学术委员会委员。担任 Science Bulletin 特邀编委。
徐倩倩 ，东北林业大学材料科学与工程学院硕士研究生。2021年于山东农业大学获得工学学士学位，目前师从陈文帅教授，主要研究方向为林木纤丝基功能材料。
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Nanocellulose Building Block for the Construction of Hygroscopic Aerogels
Qianqian Xu, Qing Li, Haipeng Yu, Jian Li, and Wenshuai Chen*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00085
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