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生物质基功能材料

在全球资源危机与环境压力加剧的背景下,生物质基功能材料作为绿色可再生资源的高值化利用载体,正成为推动可持续发展与碳中和目标实现的关键力量。木质纤维素类生物质——这一自然界储量最丰富的天然聚合物,凭借其可降解、易改性及生物兼容性等优势,在能源存储、环境治理、生物医药及先进制造等领域展现出革命性应用潜力。本专题期刊聚焦生物质基功能材料的前沿进展,旨在为学术界与产业界搭建跨学科交流平台,探索材料创新与产业变革的新路径。

当前,生物质基功能材料的研究正经历从基础理论到应用技术的全面突破。在能源领域,纤维素基固体电解质通过氢键网络与锂离子多氧配位点的协同作用,实现了高离子电导率与机械强度的平衡,为固态锂电池的商业化提供了解决方案;木质素衍生碳材料凭借其独特的三维网状芳环结构与杂原子自掺杂特性,在超级电容器与光催化CO?还原中表现出卓越性能。在环境治理方面,生物炭基复合材料通过吸附-催化双重功能,实现了对重金属与有机污染物的高效去除,而秸秆复合墙板等生物质建材则通过固碳减排效应,推动建筑行业向循环经济转型。

生物质基功能材料的创新亦面临多重挑战。原料供应的分散性与预处理成本高企仍是制约产业化的瓶颈,而材料性能的定制化调控(如纤维素膜的机械强化、水凝胶的能量耗散机制优化)则需跨学科技术的深度融合。此外,绿色溶剂体系开发与生命周期环境影响评价等议题,亦成为研究领域的前沿焦点。

本专题期刊汇聚了国内科研团队在生物质基功能材料领域的最新成果,通过专题研讨,我们期望揭示生物质资源化学转化的深层机理,探索功能材料在极端环境下的适应性机制,并推动生物质基材料在高端制造与民生领域的规模化应用,为全球可持续发展贡献中国智慧。

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  • 全选
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  • 研究·开发
    宋皓炜, 刘贤浩, 刘冬旭, 刘鹏, 高明珠, 邓健秋
    功能材料. 2025, 56(3): 3089-3094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.011
    通过研究一步炭化法制备的甘蔗渣和玉米秸秆衍生的硬炭材料,并探索这两种材料的组成、形貌、粒径以及孔径分布等组织结构对电化学性能的影响。研究表明玉米秸秆衍生硬炭材料具有更大的层间距、孔径和更小的粒径,从而展现出了更优的储钠性能。玉米秸秆硬炭材料在50 mA/g的电流密度下展现出了优异的电化学性能,其可逆容量达到了274 mAh/g; 首次库伦效率高达89%;经100次循环后,容量保持率高达97%。值得指出的是在1 000 mA/g 电流密度下该材料也表现出217 mAh/g的可逆容量。
  • 研究·开发
    麻志微, 邹淑芬, 曾蓉, 刘颖, 王林, 张佳敏, 那兵, 柳和生
    功能材料. 2025, 56(3): 3150-3157. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.019
    隔膜是锂电池的重要部件之一。商业化聚烯烃隔膜的电解液润湿性差、高温热收缩,难以满足高性能锂电池发展的需要。通过在醋酸纤维素(CA)溶液中原位聚合丙烯酰胺,并采用同步相分离和脱乙酰,制备了纤维素/聚丙烯酰胺(d-CA/PAM)复合隔膜。d-CA/PAM隔膜具有高孔隙率(77.9%)、高电解液吸收率(273.0%)、优异的热稳定性(在200 ℃下不收缩)和高离子电导率(1.51 mS/cm)。d-CA/PAM隔膜组装的锂金属电池在1 C时表现出比聚烯烃隔膜更高的初始放电比容量(150.1 mAh/g vs. 143.0 mAh/g)和更好的容量保持率(100次循环94.3% vs. 92.0%)。
  • 工艺·技术
    宁豪宇, 向雯婷, 李嘉宁, 刘彩平, 何坚
    功能材料. 2025, 56(3): 3181-3187. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.023
    Ti3C2Tx MXene柔性膜是由二维层状结构的金属碳/氮化物堆叠而成,具有优异的光热转化性能,但由于MXene片层之间以分子间相互作用组装而成,水分子存在易导致结合力降低,从而影响柔性膜的稳定性。针对MXene柔性膜稳定性问题,采用氟化锂+浓盐酸刻蚀,结合超声波剥离,加一定浓度的纳米纤维素(CNC),获得具有一定厚度、表面富含羟基及其它功能基团的Ti3C2Tx MXene纳米片。在此基础上,采用全氟癸基三甲氧基硅烷改性剂对薄膜进行表面化学修饰,获得以纤维素为骨架的疏水柔性膜材料。对得到的复合膜微观形态和表面官能团进行系统表征,再进行力学性能测试,明确掺加纤维素与疏水改性对薄膜的浸润性、光热性能、力学性能等性能的优化。结果显示,所制得的复合膜最大升温速率为115 ℃/min,与水接触角为129.8°,最大承受拉力提升率可达157.95%,光热、疏水以及力学性能表现良好。
  • 工艺·技术
    谢俊龙, 钟雨薇, 张诗童, 蔡少君
    功能材料. 2025, 56(3): 3208-3213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.027
    以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸锂(AMPSLi)和丙烯酰胺(AM)为共聚单体,制备得到P(AM-co-AMPSLi)导电水凝胶,并以纤维素纳米晶(CNC)为增强相以提高水凝胶的机械性能。对CNC/P(AM-co-AMPSLi)复合水凝胶的结构、机械性能、电导率和微观形貌进行了测定和研究。结果表明,CNC与P(AM-co-AMPSLi)水凝胶之间存在氢键作用,能够显著提高水凝胶的综合力学性能; 3%CNC/P(AM-co-5%AMPSLi)复合水凝胶的导电性能(0.65 S/m)和综合力学性能最优(最大负荷0.473 N,抗拉强度30.37 kPa),抗拉强度相较于未添加CNC的共聚水凝胶提高了420%。
  • 综述·进展
    陈琳元, 张艺兵, 李杰, 陈静, 黎庆涛
    功能材料. 2025, 56(2): 2074-2083. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.02.009
    细菌纤维素(bacterial cellulose, BC)具有独特的三维网络结构,其孔隙率高、机械强度大、生物相容性好,可作为人造血管、组织工程以及伤口敷料的理想候选者,是生物医学材料研究的热点之一。然而,由于BC本身并不具备抗菌、生肌止血等特点,限制了其在医学领域的进一步应用。因此,通过非原位和原位改性方法将功能性聚合物、碳基纳米材料以及金属纳米颗粒引入BC,获得具有增强功能特性的复合材料,这些改性的BC材料在该领域中展现出巨大的应用潜力。本综述介绍了BC的制备,及其功能化改性,并总结近年来其在医疗领域的主要成果,为开发低成本、绿色安全和多功能的医用材料提供参考。
  • 研究·开发
    王予, 陈杰, 黄庆享, 武奇猛, 刘纯, 贺剑
    功能材料. 2024, 55(10): 10053-10058. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.008
    采用纤维素醚(羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚)对粉煤灰基薄喷材料的粘结性能进行改性研究,研究了纤维素醚的黏度、取代基对粉煤灰基薄喷材料粘结强度、稠度及其抗拉强度、抗压强度的影响规律。采用扫描电子显微镜研究了纤维素醚掺入前后粉煤灰基薄喷材料28 d试样的微观结构,揭示了纤维素醚对薄喷材料粘结性能改性机理。结果表明,加入纤维素醚后,薄喷材料的粘结强度显著提高。相同取代基下,掺入低黏度的纤维素醚试样的粘结性能更高。不同取代基下,羟乙基纤维素醚试样粘结强度更高,对力学性能的不良影响更小。掺入0.05%(占胶凝材料质量分数)羟乙基纤维素醚的粉煤灰基薄喷材料28 d粘结强度达到1.67 MPa,抗压强度为11.4 MPa。
  • 工艺·技术
    唐璐, 郝绍杰, 郜乾, 冯晓彬, 范蓓, 张亮, 王博, 王凤忠
    功能材料. 2024, 55(9): 9191-9198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.024
    为了探索酒糟纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystals, CNCs)在废水处理领域的应用潜力,拓宽酒糟的高值化利用途径,研究通过洗涤、漂白和碱提等步骤制备酒糟纤维素,再以1∶20固液比加入50% (v/v)硫酸溶液水解纤维素制备酒糟纤维素纳米晶,并对其进行化学成分测定和结构表征,最后研究其对亚甲基蓝和刚果红水溶液的吸附能力。结果发现,制备的酒糟CNCs中的纤维素纯度超过90%,粒径分布集中在180~300 nm范围内,Zeta-电位值为-30.1 mV。酒糟CNCs对刚果红和亚甲基蓝染料的平衡吸附率分别达到75.5%和90.57%,展现出不同的吸附机制,分别对应一阶动力学模型和二阶动力学模型,表明酒糟CNCs对离子染料具有良好的吸附特性,为酒糟CNCs在工业废水处理领域的可持续应用提供了低成本且高效的新途径。
  • 研究·开发
    程培峰, 张雪, 李艺铭, 王洋弘历
    功能材料. 2024, 55(8): 8111-8119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.015
    纤维素作为秸秆的重要组成部分,是决定其力学强度的关键。若将其应用于沥青路面中,有望改善路面的性能并解决秸秆在路面中易产生降解、老化等问题。研究首先利用星点设计-效应面法,探究了秸秆中纤维素的提取工艺对沥青性能的影响,并确定了纤维素的最佳提取工艺;然后,通过流变性能试验、离析试验以及红外光谱试验分析,研究了纤维素对沥青高温稳定性、低温抗裂性及储存稳定性的影响。结果表明,在NaOH浓度为2.5%,HNO3浓度为4.3%的条件下所提取的纤维素对沥青物理性能的改善效果最佳,同时,玉米秸秆纤维素的掺入提高了沥青的高温稳定性、低温抗裂性以及在高速车辆荷载剪切作用下的抗变形能力。当玉米秸秆纤维素的掺量为7%时,沥青的综合性能最佳,未产生严重的离析现象。与基质沥青相比,纤维素掺量在7%时的高温连续分级温度(TLH)提升了13 ℃,低温性能提升了49.3%。此外,纤维素仅以物理增强作用互相粘结改善沥青的性能,并未发生化学反应。
  • 综述·进展
    李烟云, 杨雪
    功能材料. 2024, 55(7): 7060-7069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.008
    纤维素是自然界中最丰富的资源之一,以纤维素为原料制备的第三代气凝胶兼有传统气凝胶的高孔隙率和大比表面积以及本身优异性。然而,固有的可燃性、较差的力学性能和较低的热稳定性限制了其使用范围。目前将纤维素气凝胶进行功能化,开发多种功能化的复合气凝胶已成为研究热点。从纤维素气凝胶的制备过程,功能化方法,以及主要应用领域进行了概述,最后对功能化纤维素气凝胶存在的问题进行了讨论。
  • 工艺·技术
    杨旭, 汪邓兵, 刘祖一, 凤权
    功能材料. 2024, 55(7): 7216-7223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.027
    使用生物基有机材料细菌纤维素(BC)作为载体,沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)为客体材料,采用一步真空抽滤法,制备BC/ZIF-8复合纤维膜。通过FT-IR、XRD、SEM、EDS、BET等对制备的复合纤维膜进行了结构表征,考察了接触时间、温度、离子浓度,底物的初始浓度对复合纤维膜吸附盐酸四环素(TC)的影响。结果表明改性后的复合纤维膜较初始BC膜具有更丰富的孔结构,氮气吸附-脱附曲线测得比表面积从6.2415 m2/g增加到265.8820 m2/g。吸附实验表明,离子浓度对吸附影响较小,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,TC主要以单层吸附的形式吸附到在BC/ZIF-8复合纤维膜上,理论最大吸附量为438.59 mg/g。
  • 热点·关注
    宋玲彦, 马丽娜, 郭玉萍, 郭玉燕, 于家乐, 杨艺鹏, 杨一鸣, 陈丽华, 哈斯其美格
    功能材料. 2024, 55(5): 5028-5037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.05.005
    淡水资源作为生命赖以生存的物质基础面临严重挑战,利用高效的太阳能驱动界面蒸发(SSG)是解决目前水资源短缺的重要手段,一种新型的多孔材料共轭微孔聚合物(CMPs)在水处理技术中具有重要作用。以CMC/SCMP为前躯体在其表面喷涂聚吡咯制备了一种新型太阳能蒸发器(CMC/SCMP-PPy),喷涂聚吡咯增强了光吸收性能,光吸收率可达91%,实现了光热转化能力。该气凝胶在1 kW/m2太阳条件下表现出良好的光热转换性能,蒸发效率可达85.57%。多孔结构和亲水特性使其具有优异的水传输能力,稳定的化结构使其具有优异的耐盐性以防止盐晶体沉积堵塞材料孔道,使其实现了光热转化能力。这项研究进一步优化了CMPs在废水的净化,实现了清洁能源的利用,为开发新型光热材料提供了新的思路。
  • 综述·进展
    李鑫蕊, 张金才, 宋慧平, 程芳琴
    功能材料. 2024, 55(3): 3051-3063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.007
    生物质基碳材料具有可再生性和灵活的微观结构可调性,作为高效、廉价的超级电容器电极材料受到越来越多的关注,但原生生物质衍生炭存在有低孔隙率、低比表面积和比电容不足等缺点。电极材料的比表面积、孔隙结构和导电性等都会影响超级电容器的储能性能,故如何制造具有高比电容、快速充放电且兼具一定柔性的电极材料成为了目前的研究重点。综述了超级电容器的类别、储能机理以及生物质基碳材料的制备方法和研究现状,分析了高质量负载电极的关键性能评价参数,并对其电化学性能影响因素进行了系统讨论,未来的发展趋势是将不同种类的储能器械集成复合型能源存储器械,以满足各领域需求。复合型的能源存储器械,大大提高了超级电容器的综合性能,因此研发高效、稳定的电能存储技术对于缓解能源短缺、减少环境污染和推动可持续发展具有重要的意义。
  • 热点·关注
    王青, 庞少峰, 王彦斌, 卢新宇, 陈奇, 聂宏杰, 朱星臣, 苏琼
    功能材料. 2024, 55(2): 2029-2040. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.005
    随着现代工业的发展,重金属水污染已成为最重要的环境问题之一,重金属离子毒性强、难降解,在很大程度上对人类、水生动物和植物有害,破坏生态系统。吸附法低成本、去除效率高、可循环利用等优点使其成为废水处理的重要方法之一。生物质材料资源丰富、成本低、绿色环保,以其为新型吸附剂原料被广泛研究。基于此,该文以金属有机骨架、沸石、生物炭类为例,首先综述了生物质复合材料的制备及改性方法,总结了吸附剂的性能对金属离子吸附的影响,其次阐述其与金属离子之间的吸附机理,最后对生物质复合材料在水污染治理发展方面提出展望。
  • 综述·进展
    陈奇, 王彦斌, 庞少峰, 王青, 于浩, 朱星臣, 苏琼
    功能材料. 2024, 55(2): 2052-2062. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.007
    生物质是产量丰富、种类繁多、价格低廉、环境友好的优良碳源,以生物质为原料制备碳催化材料无疑是变废为宝,可从根本上解决环境污染和资源浪费等问题。介绍了生物质的种类、组分及结构对生物质碳基催化材料性能的影响,对制备生物质碳基催化材料的两种常见方法热解法和水热碳化法进行了对比,探讨了进一步增强催化剂活性的3种方式:杂原子掺杂、金属离子修饰和官能化,分析总结了生物质碳催化材料面临的挑战。
  • 研究·开发
    巩玲, 安昕煜, 孔苗苗, 刘畅, 李旭, 刘志明
    功能材料. 2024, 55(1): 1092-1097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.012
    利用化学交联和冷冻干燥技术制备了绿色环保的羧甲基纤维素钠(CMC)/明胶(GL)-戊二醛(GA)复合气凝胶(CL-A);研究不同比例的羧甲基纤维素钠(CMC)、明胶(GL)和不同含量的戊二醛(GA)对气凝胶微观结构、热稳定性、力学强度以及保温隔热等性能的影响。实验结果表明,羧甲基纤维素钠(CMC)与明胶(GL)比例为1:2且戊二醛(GA)添加量为15%时的复合气凝胶(C1L2-A15)的压缩强度高达3.03 MPa,较纯羧甲基纤维素钠(CMC)气凝胶增长了7倍左右;热导率低至0.022 W/(m·k),保温效果较好;多孔的三维网络更加致密,改善了复合气凝胶的形貌结构;复合气凝胶的残炭量高达37%,一定程度上提高了热稳定性。
  • 工艺·技术
    金路瑶, 李慧敏, 苏静, 王鸿博
    功能材料. 2024, 55(1): 1187-1192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.025
    以羧甲基纤维素钠和聚乙二醇为原料,通过交联、凝胶化形成多孔网络结构,制备具有pH响应性能的凝胶膜。将其浸泡在单宁酸溶液中赋予样品抗菌性能,并对抗菌膜的微观结构、溶胀性能、体外药物释放、抗氧化性能、抗菌性能等进行了表征。结果表明:制备好的抗菌膜具有良好的多孔结构,羧甲基纤维素钠上的羧基赋予抗菌膜一定的pH响应性能,使其在不同pH值下表现出差异性的溶胀性和体外释药性,载药后样品的抗氧化性提升至91.33%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到90%以上。该抗菌膜在药物缓释型敷料等方面具有很大的应用前景。
  • 工艺·技术
    陈杰, 龙柱, 朱丁, 司志昊, 陈秀, 周伟, 王文娟
    功能材料. 2023, 54(12): 231-236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.032
    采用熔融挤压法制备微晶纤维素/热塑性淀粉(MCC/TPS)薄膜,并用热压法将MCC/TPS薄膜与纸张进行复合得到纸塑复合材料。结果表明,SEM图像表明了纸塑复合材料界面层具有良好的附着力。当MCC的添加量为5%(质量分数)时,TPS薄膜的机械性能提高,还延长了水蒸气通过TPS薄膜的路径,导致MCC/TPS/纸张复合材料的水蒸气透过率降低,进而提高纸塑复合材料的阻隔性能。TPS/纸张复合材料和MCC/TPS/纸张复合材料比单纯纸张具有更好的物理性能(即平滑性、柔韧性和耐折性)。因此,添加MCC可以改善纸塑复合材料的阻隔性能、机械性能等,满足食品包装行业对低水敏性材料的要求。
  • 工艺·技术
    张丽娜, 朱锦, 付月, 刘长斌, 王连峰
    功能材料. 2023, 54(10): 10186-10192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.10.027
    纤维素是自然界最丰富的生物大分子,普遍存在于植物细胞的细胞壁中。由纤维素分解制备的纳米纤维素因其优越的特性可被用作吸附剂进行污水处理。小球藻细胞壁中纤维素含量丰富而几乎没有木质素,是制备纳米纤维的优质原料。通过TEMPO介导氧化法从小球藻藻渣中制备了羧基化纤维素纳米纤维(TCNF),其平均直径约为2 nm,长度在300 nm左右,羧基含量为1.54 mmol/g。并以亚甲基蓝(MB)为模型染料进行了TCNF的吸附研究。结果表明,TCNF对MB吸附符合伪二级吸附动力学模型,在吸附80 min后基本达到平衡;TCNF对MB的吸附受pH影响较大,pH=8时具有最大吸附量;TCNF对MB的吸附量随MB浓度升高呈线性增加,当浓度高于10 mg/L后吸附趋于饱和;吸附等温线分析发现TCNF对MB的吸附符合Langmuir模型,表明TCNF表面均匀,表面不同位置的吸附能变化不大,为单层吸附。总之,利用小球藻藻渣制备TCNF进行工业废水中阳离子染料的去除,是一种简单且很有前途的的方案。
  • 工艺·技术
    程沐森, 谢文瀚, 耿浩然, 董丽杰
    功能材料. 2023, 54(10): 10193-10199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.10.028
    采用一锅水热法及高温煅烧法制备了CoFe2O4/生物质碳复合材料。从材料微观形貌、晶体结构和电磁参数表征说明,CoFe2O4能够均匀分散在碳基材料中,CoFe2O4的存在有利于生物质在碳化过程产生缺陷极化,这有利于增强材料的吸波性能。通过调节CoFe2O4的含量,实现对复合材料电磁参数的有效调控,进而优化其阻抗匹配性能。实验结果表明,CoFe2O4/C-3.0复合材料在2.0 mm下获得最小反射损耗(Reflection loss RL)值为-48.0 dB,有效吸收带宽(Effective absorption bandwidth EAB)为5.5 GHz。
  • 研究·开发
    张俊武, 马红艳
    功能材料. 2023, 54(9): 9138-9144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.017
    仿生皮肤可模拟人类皮肤,具有感知多种刺激的能力,在医疗监控、人工智能等领域有着广泛的应用。但是传统的电子皮肤材料通常存在机械强度低,黏附性能差,易失水导致柔性丧失等问题,限制了它在电子领域的应用。基于贻贝黏附蛋白,以天然高分子纤维素的衍生物羧甲基纤维素钠为骨架,制备了多巴胺改性的羧甲基纤维素(CMC-DA)的聚合物,并将其引入两性离子材料聚羧基甜菜碱(PCB)水凝胶中。当CMC-DA邻苯二酚基团的取代度为6.8%时,CD-PCB水凝胶具有良好的黏附性能,且可以通过CMC-DA质量分数的不同而调节,同时水凝胶的机械性能均得到较大改善。在此基础上加入天然高分子材料蚕丝蛋白,增强了水凝胶保湿性能。CDP-SILK水凝胶同时具有抑菌性,在金属离子的贯穿网络下,水凝胶获得良好的导电性。总体来说开发了生物相容性良好的两性离子仿生皮肤,该材料具有高保湿性,高粘附性,良好生物形容性以及高导电性,在生物电子应用中显示出良好的柔性可穿戴设备前景。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    宿晓天, 陈继飞, 陈文刚
    功能材料. 2023, 54(8): 8014-8024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.003
    随着纳米纤维素材料的应用越来越广泛,研究发现有纳米纤维素复合材料可以改善其整体性能且成本低来源广泛。采用不同的方法制备纳米纤维素材料如纳米纤维素晶体(CNC),微晶纤维素(MCC),纳米纤维素(NFC),细菌纳米纤维素(BNC)等材料,借助于机械拉伸,纺丝法、电场、磁场等方法用做制备定向排列高取向度,高性能,高强度和刚度等纳米纤维素材料,应用于纺织业,医疗行业,光学器件等领域。上述对方法和材料进行简要讨论,总结材料方法应用特性场合。
  • 研究·开发
    滕睿, 张全, 孙依诺, 牛卓航, 刘铭轩, 曹其宇, 刘守新, 李伟
    功能材料. 2023, 54(8): 8096-8102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.011
    以多元醇法制备出的银纳米线作为导电填料,木棉纤维素微纤维作为载体,通过真空抽滤制成导电复合纸,使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、四探针测试仪、矢量网络分析仪对复合纸进行表征,探究了银纳米线含量对其电导率与电磁屏蔽效能的影响。结果显示,银纳米线作为一种一维的银单质纳米材料能够均匀地分布在复合纸中,并且形成优异的导电网络。当纯纤维素纸中加入2.5%(质量分数)的银纳米线,纸的电阻由470.57 MΩ·cm骤降至1.26 mΩ·cm。当银纳米线的浓度从2.5%提升至10%后,纸的电导率从793.65 S/cm提升至3039.51 S/cm,电磁屏蔽效能也从38.1 dB提升至61.5 dB。
  • 研究·开发
    张丽娜, 朱锦, 霍晓敏, 刘长斌, 王连峰
    功能材料. 2023, 54(8): 8177-8182. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.022
    纳米纤维因其高比表面积、生物可降解等特性被广泛用作水处理材料。小球藻经生物炼制后的藻渣富含纤维素而不含木质素,通过相对简单的纯化就可以获得高品质的纤维素。研究通过均质法从小球藻油脂提取残留物中制备了纤维素纳米纤维(CNF),其平均直径为(4.1±2.3)nm,平均长度为(375±35.3)nm.此后,利用制备的CNFS进行亚甲基蓝(MB)和刚果红(CR)的吸附研究,发现CNF对MB的吸附符合伪一级动力学模型,对CR的吸附符合伪二级动力学模型;通过对不同浓度MB、CR吸附等温线分析表明CNF对MB、CR吸附符合Langmuir等温线,最大吸附能力分别达到161.25和181.36 mg/g。两种染料的初始pH值对CNF吸附具有显著影响,MB初始pH=8时CNF具有最大吸附能力;CR在pH值5~10范围内,pH越低CNF吸附能力越强。
  • 综述·进展
    李江琴, 姚凯利, 胡天丁, 陕绍云, 把明芳
    功能材料. 2023, 54(6): 6080-6087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.009
    纤维素具有可再生、可降解、环保和无污染等特点。以纤维素为原料,制备得到的纤维素基膜材料,具有优良的分离,吸附,导电,磁性和刺激响应等性能,被广泛应用于分离,导电,包装,吸附等研究领域。因此,主要综述了纤维素材料在分离膜、导电膜、包装膜以及吸附膜领域的应用研究进展,并对其未来的发展趋势进行了展望。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    乔宏霞, 曹锋, 赵紫岩, 文晨
    功能材料. 2023, 54(5): 5001-5007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.05.001
    一定条件下煅烧及研磨处理制备的青稞秸秆灰(HBSA),是一种生物质硅源活性掺合料,对氯氧镁水泥(MOC)的力学性能会产生影响。为了研究HBSA掺入MOC中对其力学性能的影响规律,将不同HBSA掺量的MOC砂浆试件分别在干燥及饱水状态下进行抗折、抗压强度试验,采用强度损失率和软化系数来表征MOC在饱水状态下的力学性能损伤程度,并通过低场核磁共振技术和气体吸附法对MOC砂浆试样的孔隙结构进行测试与表征。研究结果表明,掺入5%HBSA的MOC在干燥及饱水状态下的抗折、抗压强度最大,掺入10%HBSA的MOC在饱水状态下的强度损失率最低、软化系数最高。当HBSA掺量为10%时,MOC的孔隙结构中有害孔和多害孔的比例显著减少、最可几孔径减小,优化了MOC的孔隙结构,增强了饱水状态下的力学性能。
  • 工艺·技术
    王雪宇, 于娜林, 江宏伟, 樊丽华
    功能材料. 2023, 54(4): 4209-4215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.04.028
    通过在无灰煤中添加不同生物质(玉米芯或松木屑),制备双电层电容器用活性炭电极材料,探究生物质对无灰煤基活性炭结构和电化学性能的影响。采用SEM、XRD、FTIR、N2吸脱附表征其结构和组成,通过循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试其电化学性能。从生物质组成成分来看,添加高纤维素含量的生物质更有利于中孔的发育,使活性炭的孔隙结构更加完善。高纤维素半纤维素含量能够有效降低碳材料的电荷转移电阻和物质扩散阻力,使离子在孔结构之间的传输更加迅速。向无灰煤中添加玉米芯时,比电容提升45%,电荷转移电阻降低65%;向无灰煤中添加松木屑,比电容提升30%,电荷转移电阻降低35%,证明添加高纤维素含量的生物质更有利于活性炭的结构完善和电化学性能提升。
  • 综述·进展
    袁文彬, 曹明, 杜官本, 周晓剑
    功能材料. 2023, 54(3): 3060-3070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.009
    我国农林生物质资源丰富,但利用率低,造成了极大地浪费。随着石化资源日渐枯竭,生物质材料越加成为人们关注的对象,各种生物质替代品被逐步发掘研究,越来越多的绿色环保泡沫材料因其质轻、性优而被广泛使用。主要介绍了以生物质材料(淀粉、木质素、纤维素、植物油、单宁)代替不可再生的石油资源制备发泡材料,总结了各类泡沫的主要发泡机理、研究进展和潜在应用领域。
  • 综述·进展
    宋少花, 徐金兰, 宋晓乔, 于媛
    功能材料. 2023, 54(1): 1058-1069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.01.009
    从水环境中分离普通的生物质炭很困难,而且可能会导致二次污染,这就阻碍普通生物质炭作为吸附剂的大规模应用,解决这一问题的一个有效策略是将过渡金属及其氧化物引入生物质炭基质中,产生易于分离的磁性生物质炭。磁性生物炭不仅能有效去除水溶液中的重金属污染物,而且还可以通过施加外部磁场,实现磁性吸附剂的分离,进而回收——再生——再利用,提高其修复性能。由于其在重金属吸附方面的优越性,在重金属污染水处理领域引起了广泛的关注和研究。综述简要总结了磁性生物炭的不同制备方法,整理磁性生物质炭吸附重金属的机制,分析影响磁性生物质炭与重金属相互作用的因素。最后,指出了磁性生物质炭在重金属污染水体水处理中进一步的研究需求和未来的研究方向,并展望了未来的发展前景和潜力。
  • 研究·开发
    张兴丽, 陈之岳, 陈昊
    功能材料. 2023, 54(1): 1092-1096. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.01.012
    纳米纤维素是具有可再生性、可降解性的天然高分子材料。基于氧化石墨烯优越的物理性能,采用真空抽滤方法制备纳米纤维素-氧化石墨烯高度有序层状结构以提高纳米纤维素薄膜的力学强度和疏水性能。实验结果表明,当石墨烯质量分数为4%时,纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的拉伸强度达到最大值204.4 MPa,比原始CNCs薄膜抗拉强度提升58.8%。层状薄膜的弹性模量随氧化石墨烯质量分数的增加呈现先增加后降低的趋势。通过对层状薄膜进行微观形貌分析和动态热机械性能分析验证了力学试验结果的准确性。对纳米纤维素薄膜和纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的接触角进行测定,发现由于纳米纤维素的氢键网络与氧化石墨烯表面游离羟基之间的相互作用,层状薄膜的疏水性能显著提升。
  • 综述·进展
    李孟情, 李仁爱, 张宏壮, 陈妍, 刘祝兰, 曹云峰
    功能材料. 2022, 53(12): 12053-12064. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.12.008
    利用绿色可再生和具有自组装成光子结构能力的纤维素纳米晶体(CNCs)构筑柔性功能材料可提供丰富直观的可视化信息、降低成本并减少不可降解材料的危害。但是由于体系内缺乏有效的软能耗相,基于CNCs的光子材料具有机械易碎和缺乏动态光学响应等不足,为其功能性拓展应用带来了一定的挑战。因此,根据CNCs的结构特点,详细介绍了目前CNCs光子膜的制备方法及其影响因素,进而对目前CNCs光子膜从机械刚性到机械柔性和机色响应性的各种合成调控策略进行了总结。同时,还着重强调了CNCs柔性功能光子材料的各种有前景的应用方向以及未来面临的挑战。
  • 工艺·技术
    张静贤, 龙柱, 覃程荣, 陈杰, 张丹
    功能材料. 2022, 53(12): 12170-12176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.12.024
    探究微晶纤维素/明胶对淀粉复合膜热封、力学、热稳定性能等影响,以期提升淀粉基薄膜的综合性能。以不同比例微晶纤维素/明胶(1∶9,2∶8,3∶7)做增强相,溶液浇铸法制备多组分淀粉膜—微晶纤维素/明胶/淀粉膜(MCC/GL/ST)。通过扫描电镜(SEM) 、差示量热扫描(DSC)、热重分析(TG)对薄膜进行表观形貌及热稳定性分析,采用热封仪、万能材料拉力机表征薄膜力学性能、热封性能。结果表明,与微晶纤维素/淀粉膜(MCC/ST)相比,微晶纤维素/明胶(2∶8)/淀粉膜(MCC/GL/ST-2)热封强度提高了352.9%,拉伸强度提高至9.12 MPa,红外光谱分析(FT-IR)表明MCC和GL之间存在氢键相互作用;薄膜阻隔性能随明胶添加量降低而提升,DSC及TG曲线表明MCC/GL/ST-2具有良好的热稳定性,可满足热封加工性的同时保证其性能稳定。
  • 研究·开发
    张宏, 贺丹丹, 王九玲, 张宇鹏, 岳辰, 张文博
    功能材料. 2022, 53(10): 10137-10145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.018
    采用了KOH活化和Fe/Zn改性制备了一种全新的KOH-Fe/Zn生物炭(KOH-Fe/Zn-BC),以去除四环素。利用FTIR、SEM-EDS、N2吸附等温线和XPS,对吸附剂的化学、形态和结构特征都进行了表征。通过EDS图像可以看出,对比吸附前后材料表面元素分布,Si、Fe和Zn的元素含量减少了,这与XPS的分析结果一致,元素与TC分子发生了相互作用。BET结果表明,KOH-Fe/Zn-BC的比表面积达191.47 m2/g。即使在外部离子和pH的干扰下,吸附剂仍然具有良好的吸附能力,在298 K下对TC的吸附量可达230.77 mg/g。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线。对KOH-Fe/Zn-BC的吸附机理进行了评估,并将其归因于静电吸引作用、氢键相互作用以及物理吸附和化学吸附的协同作用。研究结果为市政污泥生物质炭去除水体中四环素提供了理论依据。
  • 研究·开发
    张春梅, 杨婷婷, 陆桂花, 叶秋艳, 付秋平, 罗军, 翟天亮
    功能材料. 2022, 53(10): 10180-10184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.023
    气凝胶具有低密度、高比表面积、高孔隙率等特性,在水污染处理领域具有广阔的应用前景。以天然绿色高分子材料纤维素纳米晶(CNC)和壳聚糖(CS)为原料,通过冷冻干燥法和固相交联技术制备了具有良好水溶液稳定性的CNC/CS气凝胶。采用扫描电子显微镜(SEM)对气凝胶表观形貌进行了表征,采用分光光度法考察了气凝胶对水中六价铬离子(Cr(Ⅵ))的吸附性能,并对吸附结果进行了拟一级和拟二级动力学拟合。结果表明,CNC含量为50%时气凝胶的水稳定性最好,在去离子水中48 h震荡后的质量残留率达到93.8%。气凝胶具有丰富的蜂窝状孔结构,对Cr(Ⅵ)的吸附容量最高可达67.377 mg/g。气凝胶对Cr(Ⅵ)具有较快的吸附速率,当Cr(Ⅵ)溶液浓度低于60 mg/L时能够在24 h内达到吸附平衡。吸附动力学拟合结果表明CNC(50%)/CS气凝胶对Cr(Ⅵ)的吸附行为符合拟二级吸附动力学模型,说明吸附过程以化学吸附为主。
  • 工艺·技术
    谢友森, 朱海峰, 刘艳, 那兵, 张帅程, 陈传红
    功能材料. 2022, 53(10): 10190-10195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.025
    隔膜是制约高性能锂离子电池发展的一个重要组件。具有生物降解性和电解液亲和性的高性能纤维素隔膜发展前景良好。然而,纤维素纳米纤维之间强烈的氢键作用通常导致形成致密的膜而不是理想的多孔膜。提出一个新的策略,通过化学发泡结合纳米二氧化硅颗粒杂化调控细菌纤维素(CF&SiO2)复合隔膜形态结构,制备出具有核壳结构的CF&SiO2隔膜。该隔膜具有出色的热稳定(200 ℃)和1.44 mS/cm的高离子电导率。由LiFePO4阴极和锂阳极组装的纽扣式电池在5 C下具有优越的循环稳定性,300次循环后仍保持124.7 mAh/g的高比容量。
  • 综述·进展
    湛丹亚, 余琼粉, 李明, 樊杰, 陈杰, 李胤凝, 李爱民, 朱蓉, 王云峰
    功能材料. 2022, 53(9): 9061-9072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.009
    鉴于纤维素的优点及其应用广泛性,如何从生物质中获取纤维素,并将其制成与目标应用场景相吻合的结构形式至关重要。本文总结了纤维素的提取方法,包括酸碱法、臭氧溶解法、离子液体法、深层共晶溶剂法、有机溶剂法和蒸汽爆破法,并分析了各种提取方式的优缺点;阐述了制备纤维膜的方法,包括静电纺丝、熔融纺丝和湿法纺丝,其中静电纺丝是一种简单、廉价的技术,该方法可以制备出具有高比表面积的纳米级纤维,有望对许多性能做出贡献,并对应产生积极的影响;综述了近年来纤维膜材料在物质分离、光电、医学及织物等领域的应用进展;最后概述了纤维素提取、纤维膜制备的应用前景和面临的挑战。
  • 综述·进展
    刘高尚, 刘成宝, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚
    功能材料. 2022, 53(8): 8078-8084. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.011
    随着万物互联逐渐成为现实,对绿色、可持续、高稳定性储能材料的需求越来越大。生物质炭因其丰富的孔结构、大的比表面积、环境友好性和可观的经济价值而备受关注。综述了生物质炭的结构以及合成方法,并且按照不同种类总结了国内外对于生物质基电极材料的研究现状,提出了生物质炭材料发展的新趋势和新挑战,为进一步合理设计生物质炭储能材料提供了思路。
  • 研究·开发
    王子扬, 杨雪, 刘玮, 刘丽芳, 马晓飞, 张丽
    功能材料. 2022, 53(8): 8116-8121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.017
    纳米纤维素气凝胶由于其良好的生物相容性、可再生性、可降解性以及较高的孔隙率等优异性能,在建筑隔热领域有着十分广阔的应用前景。为了更好地提升纳米纤维素气凝胶的保温隔热性能和力学性能,引入聚酰亚胺,制备了一种具有规则孔隙结构的复合纳米纤维素气凝胶。通过SEM、导热系数测试仪、红外成像仪等测试方法对其结构和性能进行表征。结果表明,当CNF:PI的质量比为1:1时,复合气凝胶的结构规则,孔径较小,在15~18 μm左右,密度低至0.0413 g/cm3,压缩强度可达0.33 MPa,导热系数低至0.03159 W/(m·K),具有最优异的综合性能。
  • 研究·开发
    陈可, 沈娟, 曾婷, 唐蜜
    功能材料. 2022, 53(8): 8122-8127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.018
    原料来源广泛且绿色生态友好的生物质多孔碳受到广泛关注。白茅草花被成功开发为新型生物质多孔碳的前驱体,采用KOH作为活化剂,尿素作为掺杂剂,一步热解碳化形成氮掺杂多孔碳材料,并对最佳的尿素掺杂比例进行探究。采用SEM,TEM,XRD,Raman,XPS对制备的材料进行表征。通过三电极体系对材料的电化学性能进行测试。结果表明,在氢氧化钾处理后的白茅草花与尿素质量比为2:1时,制备的电极材料具有最佳的性能。在6 mol/L KOH电解液中,电流密度为1 A/g时,材料的比电容为304.1 F/g,经过5 000次长循环后,容量保持率为96.24%。
  • 工艺·技术
    李可婷, 徐丽慧, 潘虹, 沈勇, 徐伟, 柳杨春, 李俊
    功能材料. 2022, 53(7): 7215-7221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.07.031
    采用简单的浸涂法制备具有优异自清洁性能和良好耐久性能的超疏水涂层。基于纤维素纳米纤维(CNF)与低表面能物质聚二甲基硅氧烷(PDMS),以棉织物为基底制备了超疏水涂层,实现了棉织物表面功能化。通过单因素实验分别研究不同浓度CNF以及不同浓度PDMS对涂层疏水性的影响,并采用红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)等对超疏水涂层进行了测试表征。CNF和PDMS在棉织物表面牢固结合,成功制备了耐久超疏水涂层。SEM结果显示,与纯PDMS涂层相比,CNF构筑了超疏水涂层所需的微观粗糙结构,为超疏水涂层的制备提供了有利条件。当PDMS浓度为4%,CNF浓度为4%时,超疏水涂层的水滴接触角(WCA)达159.2°,水滴滚动角(WSA)为4.3°。耐摩擦测试结果显示,经过40次砂纸摩擦之后涂层的水滴接触角仍达150.3°,具有超疏水性能,说明PDMS为涂层提供低表面能的同时,也具有良好的粘结性能进而提高了涂层的耐久性能。采用CNF和PDMS在棉织物表面成功制备了耐久超疏水涂层,同时实现了优异的自清洁、防水抗污性能,并且具有良好的耐久性能。
  • 综述·进展
    张朝岭, 朱刚, 孙浩, 邓书端, 康昆勇, 李辉, 张梓健
    功能材料. 2022, 53(6): 6049-6059. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.06.008
    纤维素气凝胶(CA)因其独特的三维层状网络结构、丰富的孔隙率和极大的比表面积,成为构筑新型杂化纳米复合材料的优良载体。然而,纤维素气凝胶由于分子链上羟基的亲水作用在溶剂交换及干燥处理过程中容易发生结构皱缩使力学性能降低,同时功能单一化限制了该材料的广泛应用。金属-有机骨架(MOF)作为一类新兴的无机-有机杂化多孔材料,具有结构多样性且孔径尺寸均一可控等特征优势而备受关注。近年来,研究人员利用纤维素气凝胶的本征结构及功能特性,以MOF作为增强相引入纤维素气凝胶基体骨架中构筑新型杂化材料,相关基础研究正在逐渐拓展并展现出良好的应用潜力。基于此,重点综述了MOF/CA杂化材料的制备方法和该材料在构筑过程中的组分优化及结构设计,并介绍其在阻燃隔热、吸附降解、电磁屏蔽和其他前沿领域的应用现状,提出现阶段存在的主要问题并对未来的发展方向作了展望。