中國科學技術大學俞書宏院士團隊關于“納米纖維”的最新研究

中國科學院院士、中國科學技術大學化學系俞書宏教授長期從事無機材料的仿生合成及應用研究，被譽為師法自然的“材料魔術師”。在低成本、環保型、可持續的生物基材料方面進行了大量的研究。本期易絲幫精選了2篇俞書宏院士團隊關于“生物基納米纖維”的最新研究，供大家學習了解。

1、《Advanced Functional Materials》：生物質來源的納米纖維開發穩固碳質納米纖維氣凝膠

氣凝膠是一種具有極低密度和高表面積材料，優異的傳質性能和低熱導率。因此，氣凝膠在能源和與環境相關的領域(如儲能、電催化和水處理)顯示出巨大的應用潛力。為了促進它們的實際應用，有必要開發高效、可控和低成本的方法，以可持續的方式大規模生產高性能氣凝膠。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊報道了利用生物質源納米纖維模板定向水熱炭化法制備碳質納米纖維氣凝膠(CNFAs)的總體策略。制備碳質納米纖維表面暴露出大量的官能團。重要的是，與傳統的基于自然生物聚合物的氣凝膠相比，通過調整合成參數，CNFAs獲得了良好的可回收性和高強度的優越組合。這種材料的成功合成為快速水處理裝置的設計和建造提供了一個極好的平臺。本文提出的綜合策略和可持續發展的概念將為制備具有獨特性能的先進氣凝膠開辟新的途徑。相關研究成果以“Robust Carbonaceous Nanofiber Aerogels from All Biomass Precursors”以為題目，發表于期刊《Advanced Functional Materials》上。

圖1 多種生物質來源的納米纖維合成碳質納米纖維氣凝膠的過程示意圖。

綜上，作者開發了一種通用和可持續的策略，用于可控制備具有剛性三維交聯結構的全生物質衍生碳質納米纖維氣凝膠。多種生物質來源的納米纖維，包括淀粉樣納米纖維、胺化纖維素納米纖維、去乙酰化幾丁質納米纖維，被用于模板定向HTC。通過調節合成參數(生物質納米纖維模板的類型、模板與葡萄糖的比例和反應時間)，可以很容易地調節CNFs的微觀結構(直徑、長度)和氣凝膠的物理性能(表觀密度、楊氏模量和屈服應力)。當達到臨界條件(ma?d = (ρa?da2)/La)時，才能得到碳質納米纖維凝膠。

圖2 CNFA用于快速去除染料。

結合碳質納米纖維表面暴露的多種官能團的三維交聯結構，構建了一種經濟的自制水凈化裝置，實現了對染料的快速去除(3183 L h?1 m?2)和高通量(60 L, 1 mg L?1 MB的去除率保持在90%以上)。作者期待這種合成具有獨特結構的CNFAs的可持續方法將為生物聚合物氣凝膠的商業應用開辟更多的機會，特別是在吸附劑、分離器、保溫材料、緩沖材料等領域。

2、《Advanced Materials》：可食用、超強、耐熱的海藻基餐具結構材料

截至2019年，全球塑料產量達到3.68億噸，其中一次性塑料制品占比較大40%。這些塑料制品，尤其是一次性杯子、塑料袋、餐具，面臨回收地點分散、浪費嚴重的問題。同時，超過80%的一次性塑料垃圾被掩埋或直接排放到自然環境中，但塑料很難自然降解(可能需要數百年)。另外，塑料制品在整個分解過程和日常使用過程中都會釋放出微塑料(MPs)，這將進一步對人類健康構成嚴重威脅。

鑒于此，中國科學技術大學俞書宏院士團隊報道了一種由食品級安全的馬尾藻纖維素納米纖維(SCNF)制成的一次性可生物降解餐具，該纖維具有優良的機械和熱性能。首先，作者以馬尾藻工業廢棄物為基礎，開發了一種提取馬尾藻廢棄物的有效方法，得到了一種可食用的馬尾藻纖維素納米纖維。隨后，通過自下而上的水凝膠逐層法制備了馬尾藻纖維素納米纖維結構材料（SCNSM）。

這種基于馬尾藻纖維素的食品安全結構材料表現出優異的機械強度和熱性能。為了展示這種食品安全材料的潛在應用，作者將其加工成餐具，這顯示了其優異的加工性能。此外，這種基于SCNSM的餐具還可以通過聚乳酸（PLA）和姜黃素進行改性，以獲得更好的防水性和抗菌性。相關研究成果以“Edible, Ultra-strong, and Thermal-stable Seaweed-based Structural Material for Tableware”為題目發表在《Advanced Materials》上。

圖1 SCNF的提取及SCNSM的制備。

圖2 馬尾藻剝落過程和馬尾藻纖維素納米纖維微觀表征。

圖3 馬尾藻纖維素納米纖維結構材料的表面抗菌特性。

綜上所述，基于豐富的海藻工業廢料中的纖維素，作者開發了一種制備食品安全CNF的策略，并構建了一種具有優異機械性能、熱性能和耐水/油性能的海藻基可生物降解餐具。SCNSM中SCNF之間的強氫鍵相互作用使SCNSM基餐具具有高強度、高模量、高硬度和良好的熱穩定性，是可降解和不可降解塑料餐具的一種很有前景的替代品。該餐具由馬尾藻纖維素納米纖維結構材料制成，經過疏水抗菌處理后，還可作為長效餐具使用。