东华大学隋晓锋团队Prog.Poly. Sci.：纤维素多孔材料在环境、能源和健康领域的多方面应用

【引言】

纤维素多孔材料（CPM）结合了纤维素和多孔材料的优点。一般来说，纤维素多孔材料的低密度、高比表面积、易化学修饰性和相互连接的多孔结构有利于装载和释放分子客体。这些特性赋予多孔纤维素材料在能量储存和转化、催化剂载体、吸附、分离和生物材料等方面的重要技术意义。由于结构和功能的多样性、易于获得和可再生性，功能性纤维素多孔材料近年来引起了人们的极大关注。

【成果简介】

近日，在东华大学隋晓锋教授和荷兰特文特大学G. Julius Vancso教授（共同通讯作者）团队等人带领下，一直在积极探索CPM的多方面应用。团队报道了这些材料的设计、制备、表征和在油水分离、重金属吸附、隔热、催化剂载体、电磁干扰屏蔽、热电材料、抗菌材料和伤口愈合等方面的应用。在此，将重点介绍环境、能源和健康等三个主要应用领域的最新进展。同时也讨论了目前阻碍功能性CPM应用的挑战、可能的解决方案以及未来的前景。在介绍了CPM的重要性之后，首先对其制备进行了简要概述。随后，重点介绍了它们在环境方面的应用，包括污染物吸附、油水分离、作为环保催化剂载体、电磁屏蔽和二氧化碳捕获等。然后对超级电容器、离子电池和绝热材料在能源中的应用进行了综述。无毒是生物材料的关键，也是纤维素的先天优势。因此，还考虑将其用于医疗保健，如伤口敷料、细胞培养支架、药物传递和压力传感器。该成果以题为“Multifaceted applications of cellulosic porous materials in environment, energy, and health”发表在了Prog.Poly. Sci.上。

【图文导读】

图1 在微孔材料中观察到的典型形貌

图2 疏水性有机硅烷制备疏水性CPM

图3 双层结构的纤维素海绵的制备过程及性能表征

图4 PAMAM-g-CNFs的合成示意图

图5 MOF-纤维素混合气凝胶的示意图

图6 Ni纳米颗粒修饰的3D木材衍生碳作为催化剂

图7 纤维素基空气过滤器的制备过程示意图

图8 聚多巴胺/银改性的纤维素复合海绵作为EMI屏蔽材料

图9 引入高浓度胺官能团的CNC气凝胶

图10 电容纳米材料掺入纤维素气凝胶结构

图11 离子注入电池的制备和性能

图12 纤维素基杂化纳米材料的机械性能和耐燃性表征

图13 纤维素-GPTMS-壳聚糖（CGC）海绵的机理示意图

图14 NCG/PPy复合气凝胶的制备及性能表征

图15 CNF气凝胶的制备及性能表征

【小结】

纤维素资源丰富、环境友好、可生物降解。这在一定程度上证明了目前人们对CPM迅速增长的兴趣，将这类材料推向了生物聚合物研究和相关技术转变的前沿。然而，获得功能化CPM的复杂制备过程为大批量应用带来了挑战。虽然在某些情况下，生物基微孔纤维素的机械性能足够高，但仍无法与其合成的商业同类材料的性能相媲美。CPM的环境应用具有明显的优势，但与相同功能的合成平台相比，由于成本较高，仍未得到充分的利用。在储能、电池、隔热等高性能能源应用中，它们也是一个非常好的选择，成本劣势并不严重。CPM在体外生物材料领域已经得到了广泛的研究，但由于其有限的生物降解性，在体内使用的CPM的研究受到了阻碍。化学修饰或物理杂交的新方法为开发独特的功能性CPM生物材料带来了新的机遇。目前，制备CPM最有效的方法是冷冻干燥和超临界流体干燥。由于方法上的限制，这一路径的CPM无法大规模制备，限制了其目前的使用，阻碍了技术的发展。为实现规模化利用，需要努力建立常温常压干燥方法。该领域正在迅速发展，随着对生物基材料和环境友好型技术的需求不断增长，在未来几十年，该领域会继续发展。

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

本文由木文韬翻译编辑。

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