可伸缩性是构建纳米粒子分散体面临的一个共同挑战，特别是在这些分散体的干燥过程中，以生产功能丰富的多孔结构，如气凝胶。气凝胶的生产依赖于超临界干燥，其可伸缩性较差。解决这一难题的一种策略是在常压下使用蒸发干燥。然而，含纳米颗粒的湿凝胶的蒸发干燥会伴随着强大的毛细作用力。因此，生产具有中尺度孔隙、高孔隙率和高比表面积（SSA）等特殊气凝胶结构的蒸发干凝胶或“干凝胶”极具挑战性。

近日，日本东京大学Tsuguyuki Saito报道了通过对离子交联的CNF湿凝胶进行常压干燥，成功制备了毫米厚的板状单片式CNF干凝胶，其结合了优异的机械强度、中等透光性、隔热和自熄灭功能。

文章要点

1）研究人员通过宽度为2-3 nm的精细CNF的纳米结构工程获得了这种干凝胶。通过TEMPO氧化法制备了CNF，使单个CNF的表面以较高的密度选择性地进行了位置羧化。这些细小的CNF可以通过CNF间的离子交联与例如铝离子(Al³⁺)组装成独立的、坚硬的湿凝胶。

2）干凝胶中形成了网状的CNF结构，孔隙率和比表面积分别高达80%和400−500 m² g⁻¹。同时，干凝胶的机械强度很高（压缩E = 170 MPa, σ = 10 MPa; 拉伸E= 290 MPa, σ = 8 MPa），并表现出中等透光性和隔热性能（0.06−0.07 W m⁻¹ K⁻¹）。特别是，与其他碳纳米纤维基多孔结构相比，其刚度和强度都非常突出。通过微米级的表面粗糙度抛光，可以提高干凝胶的光学透过率。此外，所制造的干凝胶还具有火焰自熄灭特性。这些特性突出了CNF干凝胶作为多孔结构的多功能性。

3）作为潜在的应用，通过下一步的开发（包括干凝胶的疏水性改性和/或表面涂层），这种干凝胶有望用于采光、隔热、承重墙体构件等。

参考文献

Wataru Sakuma, et al, Mechanically Strong, Scalable, Mesoporous Xerogels of Nanocellulose Featuring Light Permeability, Thermal Insulation, and Flame Self-Extinction, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.0c08769

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c08769