综述：解锁纤维素基复合材料在超级电容器和传感技术中的潜力

这篇综述系统阐述了纤维素气凝胶（CA）在超级电容器（电极/电解质/隔膜）和传感器（电化学/压电/湿度/环境传感）领域的应用潜力。文章重点分析了三种制备路径（分散法/再生法/衍生物法）和五种改性技术，指出其高比表面积（10–975 m2 g?1）、优异压缩强度（5.2 kPa–16.67 MPa）和生物降解性优势，并探讨了碳化纤维素气凝胶（CAs）在能量存储（409 F g?1比电容）与智能传感（响应灵敏度851.4 μA·mmol?1·L·cm?2）中的突破性进展。

　　

纤维素基复合材料的合成与特性

纤维素气凝胶因其独特的物理化学性质成为超级电容器和传感技术的明星材料。通过分散法、再生法和衍生物法制备的纤维素气凝胶，展现出与合成聚合物气凝胶相当的比表面积（10–975 m² g^?1）和孔隙率（84.0–99.9%），同时具备更高的压缩强度（5.2 kPa–16.67 MPa）和生物降解性。其中，纳米纤维素（CNF）和细菌纤维素（BC）通过机械或化学处理获得，而再生纤维素则依赖强溶剂（如离子液体）溶解后重构。

气凝胶的复合改性策略

为提升性能，研究者采用多种改性技术：

• 热解法：将氟处理的CNF碳化后，比电容达409 F g^?1，10,000次循环后仍保持91%容量；
• 直接混合法：CNF与还原氧化石墨烯（RGO）复合的电极材料，在1 A g^?1电流密度下实现252 F g^?1比电容；
• 表面修饰：聚苯胺（PANI）负载的CNF气凝胶对葡萄糖检测灵敏度达851.4 μA·mmol^?1·L·cm^?2，响应时间仅2.2秒。

超级电容器应用突破

纤维素气凝胶在超级电容器中扮演多重角色：

• 电极材料：MoS₂/rGO/CNF复合电极展现916.43 F g^?1比电容，5,000次循环后容量保留98%；
• 电解质：羧甲基纤维素钠（NaCMC）基凝胶电解质在25 mV s^?1扫描速率下提供81.5 F g^?1电容；
• 隔膜：稻秆衍生的CNF隔膜使器件能量密度提升至3.4 Wh L^?1。

智能传感的创新设计

纤维素气凝胶的3D多孔结构为传感器设计提供理想平台：

• 电化学传感：碳化椰子基质CNF气凝胶对葡萄糖的检测限低至17.2 μM；
• 压阻传感：定向冷冻制备的CNF/MXene气凝胶灵敏度高达177.08 kPa^?1，可耐受10,000次压缩循环；
• 湿度响应：季铵化纤维素/SWCNT复合气凝胶在90%湿度下输出668 mV电压，适用于自供电呼吸监测。

挑战与未来展望

尽管纤维素气凝胶在导电性和循环稳定性（如部分材料10,000次循环后容量衰减至60.47%）方面仍有局限，但通过异质原子掺杂、导电纳米材料复合（如MXene、碳纳米管）和3D打印技术，其性能瓶颈正被逐步突破。未来，这类可再生材料有望在柔性电子、环境监测和医疗诊断领域实现规模化应用。