【文章概述】

基于纤维素纳米纤维(CNF)的气凝胶具有广泛的应用前景，但其耐水性差和水下机械韧性低阻碍了其应用。在这里，我们报道了通过硅烷缩合和随后的冷冻干燥来制造共价交联的基于CNF的各向异性气凝胶。所得气凝胶显示出沿轴向的层状结构、增强的亲水性、优异的耐水性(在水中浸泡12个月而不破裂)和突出的水下机械韧性(在500次压缩-释放循环后没有损坏)。此外，气凝胶表现出不同寻常的油下超亲水性，这使得气凝胶能够通过吸收分离表面活性剂稳定的油包水乳液，分离效率高达99.6%。同时，优异的抗油污能力赋予气凝胶高的循环稳定性和可重复使用性。利用由增强的亲水性和相互连接的径向排列的通道所施加的强大的反重力水传输(在2.5 cm的高度处传输速率为3.75 mm/s)，气凝胶被用作太阳能蒸汽发生器的结构部件，其在一次太阳照射下显示出1.83kg m-2h-1的相对高的蒸发速率和95.9%的水蒸发效率。

【成果简介】

嘉兴大学中国-澳大利亚先进材料与制造研究所的徐之光课题组发现超亲水性纤维素纳米纤维基气凝胶，其具有较多的优良性能如水下机械性坚韧、弹性高、超亲水，可用于油包水乳液分离和太阳能蒸汽发电等，解决了纤维素气凝胶耐水性差和水下机械韧性低的问题，打破了其应用的阻碍。未来更多优良的性能值得发掘和延伸。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【文章亮点】

（1）、纤维素纳米纤维(CNF)的气凝胶新颖的制备与交联合成方法；

（2）、较多的优异性能，如水下机械性坚韧、弹性高、超亲水，可用于油包水乳液分离和太阳能蒸汽发电等；

【图文导图】

图1 (a) 通过CNF和BTMSE之间的缩合和随后的冷冻干燥来制造共价交联的CNF基气凝胶。

(b)站在狗尾巴草上的干硅-CNF气凝胶。

(c)形状各异的硅-CNF气凝胶。

(d-g)显示水膨胀的硅-CNF气凝胶的照片：(d)沿轴向扭曲，(e)打结，(f)折叠，和(g)拉伸载荷为200g。

(h-I)显示硅-CNF气凝胶在水中形状恢复的照片：折叠和沿轴向压缩至原始高度的20%。

图2 (a)水下压缩的500次循环——吸水膨胀的硅-CNF气凝胶的释放。

(b)纯CNF和硅-CNF气凝胶的压缩应力-应变曲线。

(c) 硅-CNF气凝胶的多孔结构(扫描电镜，从轴向和径向观察)。

(d)显示干燥扁平硅-CNF气凝胶在水中恢复形状的照片。

(e)水膨胀硅-CNF压缩前后的照片。

(f) 吸水-去除循环，将硅-CNF气凝胶放入水中，反复压缩吸水膨胀的气凝胶。

图3 (a)硅-CNF气凝胶在空气、油和水中的润湿行为和液体吸收时间。

(b)使用水润湿的硅-CNF气凝胶选择性吸收十六烷值不足的水(用亚甲基蓝染色)。

(c)使用硅-CNF吸收前后Span-80稳定的水固有癸烷乳液的显微照片和光学照片。

(d)使用硅-CNF板通过重力从十六烷(用油红色染色)中除去水。

(e)硅-CNF气凝胶的分离效率作为分离循环的函数。

(f)从硅-CNF气凝胶中除油的过程和展示气凝胶抗油污机制的方案。

图4 (a)作为时间函数的硅-CNF气凝胶内的标准化吸水量。

(b)2.5厘米高度的水传输速率和5分钟的传输高度。

(c)显示使用硅-CNF气凝胶在不同时间的水(用亚甲基蓝染色)传输状态的照片。

(d)红外照片显示硅-CNF和纯CNF气凝胶在同一热板上不同时间110℃下轴向和径向的变化。

图5 (a)太阳能蒸汽发生器的工作原理示意图。

(b)硅-CNF和蜡烛熏黑涂层双层硅-CNF的光学和红外照片。

(c)不同光照时间下太阳能蒸汽发生器内盐水(5重量%氯化钠)、硅-CNF和双层硅-CNF的表面温度。

(d)太阳蒸汽发生器在光照下的质量随时间的变化而减少。

(e)黑暗和光照条件下的水分蒸发率。

(f)使用纤维素材料建造的蒸汽发生器实现的水蒸发率和能效概述。

【奇材馆点评】

共价交联的基于CNF的各向异性气凝胶已经通过缩合和冷冻干燥的方法成功制备。所得气凝胶显示出沿轴向的层状结构、增强的亲水性和优异的水下机械性能(在500次压缩-释放循环后没有损坏)，这使得气凝胶具有优异的抗油-污垢性能，并且适合于通过过滤或吸收从油水混合物(包括表面活性剂稳定的乳液)中去除少量的水，具有99.6%的高分离效率。利用由相互连接的径向排列的通道和亲水性所施加的强大的反重力水传输(在2.5 cm的高度上传输速率为3.75 mm/s)，气凝胶被用作太阳能蒸汽发生器的结构部件，其在太阳能照射下显示出1.83kg m-2h-1的相对高的蒸发速率和95.9%的水蒸发效率。这种机械强度高且多功能的气凝胶有望为设计和开发用于含水应用的纤维素基材料提供大量机会。

【论文信息】

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