《ACS Nano》综述：纳米纤维素气凝胶在热学领域最新进展

【科研摘要】

【图文解析】

有机气凝胶是由有毒分子制成的，这就是为什么今天的研究更倾向于使用生物资源（尤其是纤维素气凝胶）来制造气凝胶。 图1显示了随着时间的流逝，采用不同的加工方法，材料科学和化学的进步如何导致各种气凝胶的制造。

图1.从其发明到现代气凝胶和加工中使用的原材料，气凝胶科学和化学方面的进展。缩写：PEG，聚乙二醇；PPy，聚吡咯；PVA，聚乙烯醇 PBA，聚羟基丁酸酯；和PANi，聚苯胺。

图2显示了在热学应用中使用基于NC的气凝胶发布的SCI索引期刊的数量（ScienceDirect搜索引擎，2021年1月）。

图2.在过去十年中，越来越多的SCI索引出版物和授予的专利反映了NC的重要性日益提高。

气凝胶处理方法

在此，由于不存在该过程中涉及的毛细应力和表面张力，因此维持了纳米结构的多孔 络。与冷冻干燥技术相比，此过程具有从湿凝胶中除去孔隙液的损害最小的能力，并形成高度多孔和更均匀的孔结构（图3f–h）。带有单向模板的缓慢冷却可提供平行于冻结方向的多孔结构（图3b，d）。高冷冻速率（例如，通过直接浸入液氮中）以及高前驱物浓度导致小晶体形成，从而产生具有高孔表面积的小孔（图3c，e）。

图3.（a）示意图，显示了使用冷冻干燥和超临界干燥方法进行气凝胶制造的一般步骤。（b，c）单向冻结和直接淬火的图示。（d，e）分别由单向冻结和直接淬火产生的气凝胶的SEM图像。（f，g）SEM图像分别代表通过冷冻干燥和超临界干燥形成的多孔结构。（h）说明通过不同的干燥方法从水凝胶到气凝胶的微观结构变化。（i）使用喷雾冷冻干燥法处理气凝胶。

隔热复合材料（NC）气凝胶

NC气凝胶

Seantier等人通过冷冻干燥法制备了二元生物复合气凝胶，并以不同的氧化时间（5min和2h）改变了漂白纤维素纤维（BCFs）中CNF/CNC的浓度。材料形态研究表明，BCF形成3D 络，并被CNF薄膜包围。与纯BCF气凝胶相比，CNF的存在刺激了孔径（6-13 nm）的大幅减少，这导致了气体导热系数的降低，如图4所示。

图4.气凝胶中纤维的概念排列。（a）具有大孔的原始长纤维BCF气凝胶。（b）具有介孔性的BCF（黑色）和CNC/CNF（红色）的二元混合物。

Gupta等人制造了基于CNF的气凝胶。重点是通过控制水凝胶中CNF的浓度（从0.75到1.5 wt％）来降低热导率和提高机械强度。图5a显示了0.75 wt％CNF的不规则形态，其孔径从微到纳米不等，这可能是由于其在水凝胶中的浓度很低。由于高的分子间和分子内的氢键作用，1.0 wt％CNF气孔的孔是均匀的，处于中孔（82％）范围内（约2-50 nm）（图5b）。

图5. CNF气凝胶的FESEM图像：（a）0.75 wt％气凝胶在2000x放大倍率下；b）在2000x放大倍率下为1.00wt％的气凝胶；c）在3200x放大倍率下为1.75 wt％气凝胶。SEM图像和（d）中空纤维和（e）同轴纤维的隔热机理示意图。

图6.（a）模具1和（b）模具2的说明性设计。（c）置于模具1内的气凝胶的示意图和横截面SEM图像。（d）气凝胶的热导率沿密度的变化。

具有有机/无机纳米粒子的NC气凝胶

图7.不同气凝胶的密度（kg m-3），压缩模量（MPa）和热导率（mW m-1 K-1）之间的关系变化示意图。三个不同平面上的三个点（A1，A2和A3）对应于给定点在空间中的投影。该图中未显示空间点。（●，基于纤维素的气凝胶；■，基于生物聚合物的气凝胶；▲，无机气凝胶。）缩写：SC，超临界；SC。PAPSQ，聚（氨基苯基）倍半硅氧烷；PVA，聚乙烯醇 ATP，凹凸棒石; PDA，聚合多巴胺；GA，明胶。

各式各样

图8.双向，随机和单向冷冻对PI/BNC气凝胶的比较。（a）b-PI / BNC气凝胶的径向和轴向截面SEM图像。（b）r-PI / BNC气凝胶的SEM图像。（c）u-PI / BNC气凝胶的SEM图像。（d）通过双向，随机和单向冻结以制备隔热材料制备的PI/BNC气凝胶的示意图。

导热NC气凝胶

图9. h-BN和BNNS负载分别对薄膜和纳米纸的（a，c）热导率（b，d）和体积电阻率的影响。（e）随着温度的升高，FBN-PI-2（FBN的50wt％）在轴向和径向上的电导率变化。（f）PEG/BNNSs-g/CNF复合材料在不同组成下的热导率和热扩散率。

阻燃NC气凝胶

具有无机纳米粒子的NC气凝胶

图10.在30 kW m–2的热通量下，纯MCC和MCC/HAP复合气凝胶的（a）HRR和（b）RSR曲线。

图11.气凝胶的静态图像（a）在燃烧前和（b）在燃烧10 s后，除了纯CNF以外，在燃烧2 s后拍摄静态图像。（c，d）FESEM图像显示了纯CNF气凝胶和C-SB10的MicroCT数据的形态外观和（e，f）3D体积渲染。

图12.（a）CNF气凝胶和C1S3气凝胶的氮吸附-解吸等温线。（b）CNF气凝胶和C1S3气凝胶的中孔尺寸分布曲线。（c）从垂直燃烧测试获得的数字图像：（i）CNF，（ii）C1S1，（iii）C1S2，（iv）C1S3，（v）C1S4和（vi）C1S5。

图13.（a）所有四个样品的HRR曲线。（b）基于密度的函数将基于CNF-无机纳米粒子的气凝胶的热导率与其他 道的文献进行比较。

图14.（a）SEM图像显示了制备的金属相2D MoS2纳米片结构的形态。（b，c）标记有MoS2和CNF成分的CNF/MoS2混合溶液的TEM图像。（d）CNF/MoS2纳米复合气凝胶在径向和轴向上的应力-应变曲线。（e）气凝胶在径向和轴向的杨氏模量E。

具有功能化NC /添加剂的气凝胶

图15.弯曲和压缩后制得的基于CNF的气凝胶的形状恢复。（a）图像显示了气凝胶（纯CNF气凝胶）的可压缩性，以及（b）交联的CNF气凝胶（CNF / BTCA（10/1））。（c）气凝胶压缩过程中的应力-应变曲线。（d）压缩模量（10％-20％/kPa。（e）气凝胶样品的LOI值。（f）通过MCC测量的纯CNF气凝胶和阻燃CNF气凝胶的HRR曲线。

图16.（a）快照，显示了（i）CNF，（ii）CNF石墨，（iii）CNF-CRG，（iv）CNF-RP和（v）CNF-PGN泡沫的垂直燃烧测试。（b）BC/GO/DMSO气凝胶的阻燃性测试插图。

图17. PMCC-1a和PMCC-2a的锥形量热仪测试曲线。（a）CO浓度与时间的关系曲线。（b）CO2浓度与时间的关系曲线。

参考文献：
doi.org/10.1021/acsnano.0c09678