协同原位改性与溶剂置换技术用于大气干燥处理耐候性强的纤维素纳米纤维气凝胶，以实现有机化合物与水的分离

《Materials Science and Engineering: B》：Synergistic in situ modification and solvent exchange for atmospheric drying of robust cellulose nanofiber aerogels toward organic compound/water separation

本研究通过冰箱辅助冷冻和溶剂交换策略制备了疏水纤维素气凝胶A-CNFA，解决了传统干燥方法导致结构坍塌和亲水性难题，其吸附容量达98%以上且循环稳定性优异，适用于含有机物的废水高效分离。

　　在当前环境和资源日益紧张的背景下，寻找高效、低成本且环保的材料对于解决有机化合物与水的分离问题至关重要。细胞壁素基气凝胶（Cellulose-based Aerogels, CAs）因其轻质、高孔隙率、强吸附能力以及可再生性等优势，成为一种备受关注的吸附材料。然而，传统气凝胶在实际应用中仍面临诸多挑战，如复杂的干燥过程、对昂贵设备的依赖以及材料本身的亲水性，这些因素限制了其在有机化合物分离领域的广泛应用。为此，本研究提出了一种新的制备策略，通过简单的冰箱辅助冷冻方法与常压干燥相结合，成功开发出一种柔性、疏水且高孔隙率的细胞壁素基气凝胶（A-CNFA），在有机化合物与水的分离中展现出显著的性能提升。

本研究的核心目标在于克服传统气凝胶在干燥过程中常见的结构塌陷和体积收缩问题，同时实现对气凝胶表面的疏水性调控。为了实现这一目标，研究团队采用了一种基于化学交联的策略，利用γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）和支化聚乙烯亚胺（b-PEI）作为关键交联剂，通过形成共价键来增强细胞壁素纳米纤维（CNFs）之间的连接。GPTMS与CNFs表面的羟基发生水解和缩聚反应，形成硅氧烷网络结构，从而在纤维表面形成一层复合涂层。与此同时，b-PEI的氨基与CNFs表面的羟基之间形成了氢键和静电相互作用，进一步强化了材料的三维结构。此外，GPTMS中的环氧基团与b-PEI的氨基之间发生反应，显著提高了气凝胶的机械强度，使其在后续干燥过程中不易发生结构破坏。

为了确保气凝胶在常压干燥过程中的稳定性，研究团队引入了一种异丙醇溶剂交换策略。在干燥过程中，水分的蒸发会导致纤维间的毛细力增加，从而引发结构塌陷。通过在干燥前将溶剂从水更换为异丙醇，可以有效降低纤维之间的毛细力和氢键作用，减少干燥过程中因应力不均而导致的体积收缩和变形。这一策略不仅简化了干燥流程，还避免了对超临界干燥等高能耗技术的依赖，从而降低了整体的生产成本。此外，异丙醇的引入为后续的表面疏水性修饰提供了良好的溶剂环境，使材料能够在干燥过程中实现表面疏水性的原位调控。

在表面疏水性调控方面，研究团队采用了一种原位表面改性方法，引入了乙烯基甲基二甲氧基硅烷（VMDMS）作为表面改性试剂。VMDMS能够在气凝胶表面形成疏水性的硅氧烷层，从而显著提高材料的疏水性能。实验结果表明，经过这种表面改性处理后的A-CNFA表现出极高的疏水性，其接触角达到了144°，远高于传统气凝胶的疏水性能。这一特性使得A-CNFA能够有效排斥水分子，同时吸附有机化合物，从而实现高效的有机化合物与水的分离。此外，VMDMS的引入还增强了纤维之间的相互作用，提高了气凝胶的结构稳定性，使其在重复使用过程中依然保持良好的性能。

在性能评估方面，A-CNFA展现出优异的吸附能力和分离效率。与传统的冷冻干燥法（F-CNFA）相比，A-CNFA在有机化合物的吸附性能上更具优势。实验结果显示，A-CNFA在10次吸附-脱附循环后，其吸附能力仍保持在98%以上，显示出良好的循环稳定性。这一性能不仅意味着A-CNFA可以被多次重复使用，还降低了其在实际应用中的成本。此外，在分离水与正丙醇的实验中，A-CNFA的分离效率达到了32.0%，显著高于F-CNFA的26.73%。这种高效的分离能力使得A-CNFA在处理含有多种有机化合物的复杂废水时具有更大的应用潜力。

本研究的创新点在于将表面改性与干燥过程相结合，从而实现对气凝胶性能的全面优化。传统的气凝胶制备方法通常需要在高真空或超临界条件下进行干燥，这些过程不仅能耗高，还可能对材料结构造成破坏。相比之下，本研究采用的常压干燥方法更为简便，无需复杂的设备支持，同时也避免了高温或高压对材料的不良影响。此外，通过引入VMDMS进行原位表面改性，研究团队成功地在干燥过程中实现了对气凝胶表面疏水性的调控，而这一过程通常需要额外的表面处理步骤，增加了制备的复杂性和成本。

A-CNFA的优异性能使其在多个领域展现出广阔的应用前景。首先，在废水处理方面，A-CNFA能够高效吸附多种有机化合物，包括水溶性物质和水不溶性物质，这使得其在处理含有复杂污染物的工业废水时具有重要的价值。其次，在酒精回收方面，A-CNFA表现出对水与酒精混合物的高效分离能力，这为生物燃料的生产提供了新的解决方案。由于酒精在许多工业领域中具有重要的应用价值，如能源、医药和食品加工等，因此，高效的酒精回收技术对于资源的循环利用和环境保护具有重要意义。此外，A-CNFA的疏水性和高孔隙率也使其在其他领域如油水分离、气体吸附和催化反应中具有潜在的应用价值。

从材料科学的角度来看，A-CNFA的成功制备为开发新型气凝胶材料提供了重要的思路。通过合理的化学交联设计和溶剂交换策略，研究团队不仅解决了传统气凝胶在干燥过程中的结构稳定性问题，还实现了对材料表面性质的精准调控。这种策略的灵活性使得A-CNFA能够根据不同的应用需求进行定制化设计，从而满足多样化的分离需求。此外，A-CNFA的制备方法简单、可扩展，为其在大规模生产中的应用奠定了基础。这不仅有助于降低生产成本，还能够提高材料的可及性，使其更易于推广和应用。

在实际应用中，A-CNFA的优异性能可以带来显著的经济效益和社会效益。首先，其高效的吸附和分离能力可以减少废水处理过程中所需的能耗和化学品消耗，从而降低处理成本。其次，由于A-CNFA具有良好的重复使用性能，可以减少材料的更换频率，进一步降低长期使用成本。此外，A-CNFA的环保特性使其在可持续发展和绿色技术领域具有重要价值。相比于传统材料，A-CNFA的可再生性和可降解性使其在使用后对环境的影响更小，符合当前社会对环保材料的迫切需求。

值得注意的是，A-CNFA的制备方法不仅适用于细胞壁素纳米纤维，还可能扩展到其他类型的纳米纤维或生物聚合物。这种通用性为未来开发更多高性能气凝胶材料提供了可能。例如，通过调整交联剂的种类和比例，可以进一步优化气凝胶的吸附性能和分离效率，以适应不同的应用场景。此外，研究团队还可以探索其他表面改性方法，以进一步提升材料的性能，如引入不同的官能团或采用不同的溶剂交换策略。

在工业应用方面，A-CNFA的制备技术可以被广泛应用于多个领域。例如，在食品工业中，A-CNFA可以用于分离食品加工过程中产生的有机污染物；在制药工业中，可以用于纯化药物成分或去除杂质；在能源行业，可以用于回收生物燃料中的酒精或其他有机化合物。此外，A-CNFA还可以作为过滤材料，用于空气净化或水净化系统，以去除有害有机物或提高水质。这些应用不仅能够提高资源利用率，还能减少环境污染，具有重要的现实意义。

本研究的成果也为未来的材料研发提供了新的方向。通过结合化学交联和表面改性策略，研究团队成功开发出一种具有优异性能的气凝胶材料，这表明在材料设计中，合理的化学结构调控和表面性质优化是提升材料性能的关键因素。此外，A-CNFA的制备方法强调了简单性和可扩展性，这对于推动新型气凝胶材料的产业化具有重要意义。未来的研究可以进一步探索A-CNFA在不同条件下的性能表现，如高温、高压或极端pH环境，以验证其在实际应用中的鲁棒性。同时，也可以研究A-CNFA与其他材料的复合性能，以开发具有多功能性的新型气凝胶材料。

总之，A-CNFA的开发不仅解决了传统气凝胶在干燥过程中的结构稳定性问题，还通过原位表面改性实现了优异的疏水性能，使其在有机化合物与水的分离中表现出色。这种材料的制备方法简单、成本低，且具有良好的可重复使用性和环境友好性，为未来的环保和资源回收技术提供了重要的支持。随着研究的深入和技术的完善，A-CNFA有望在更多领域中发挥重要作用，为实现可持续发展目标做出贡献。