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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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  • 研究与开发
    陈晓浪
    . 2010, 41(S2): 16-0.
    Baidu(35)
    采用酸处理、碱处理与球磨研磨相结合对水稻秸秆纤维进行改性处理。通过红外光谱(FTIR)、广角X-射线衍射(XRD)、热失重分析(TGA)等表征方法对处理前后的水稻秸秆纤维的结构与性能进行了测试分析。FTIR结果表明,酸、碱化学处理方法能有效去除水稻秸秆中的木质素和半纤维素。XRD结果揭示了处理后的秸秆纤维的结晶度得到提高。TGA测试表明,经酸、碱改性处理后,秸秆纤维的热稳定性得到改善,分解温度提高。酸处理和碱处理均可以有效去除部分杂质,达到纯化稻草秸秆的目的,提高水稻秸秆中纤维素的比例。
  • 研究与开发
    吕禹;贾秀杰;李方义
    . 2011, 42(S5): 855-858.
    Baidu(6)
    以采用植物纤维(稻草纤维)、淀粉为主料,通过发泡成型工艺制成的生物质全降解材料为研究对象,研究了该材料在成型过程中气泡孔的生长机理,并采用扫描电子显微镜微区化学分析技术对4 种植物纤维、淀粉、发泡剂不同含量的生物质全降解材料微观组织结构进行实验研究。实验结果表明:生物质全降解材料中的植物纤维的连接形式是相互交叉的立体网状结构;发泡剂含量为1.0%时,生物质全降解材料形成的气泡孔为封闭结构且分布比较均匀,这种均匀的结构保证了材料良好的抗冲击性、反弹性和隔热保温性。
  • 研究与开发
    杨琴淋;施文健;周艳
    . 2012, 43(16): 16-0.
    Baidu(16)
    以棉花秸秆为原材料,采用“炭化-活化”工艺制备了高活性活性炭,研究了活性炭对苯酚、苯胺和苯甲酸等三种芳香族有机污染物的吸附过程动力学及热力学;测定了不同温度下该活性炭对三种污染物的吸附等温线。研究结果表明:棉秸秆活性炭对苯酚、苯胺和苯甲酸的吸附过程均符合Lagergren二级吸附动力学方程,吸附表观吸附活化能分别为Ea (苯酚)=15.91 kJ/mol,Ea (苯甲酸)=12.56 kJ/mol,Ea (苯胺)=11.16 kJ/mol,吸附过程为自发的放热熵减过程,吸附等温模型符合Freundlich等温式;通过实验测得,棉秸秆活性炭对苯酚、苯胺和苯甲酸的静态饱和吸附容量分别为450 mg/g、321 mg/g和298 mg/g。棉秸秆活性炭制备简便成本低廉,对水溶性有机污染物去除效果较好,可用于芳香族有机污染物的治理。
  • 综述·进展
    卢清杰, 周仕强, 陈明鹏, 张瑾, 柳清菊
    功能材料. 2019, 50(6): 6028-6037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.006
    重点介绍了生物质碳材料各种维度的碳结构,综述了生物质碳材料的制备方法及其优缺点,对生物质碳材料在超级电容器和离子电池两个方向的应用与开发现状进行了归纳,分析了原子掺杂对生物质碳材料结构与性能的改良,并就原子掺杂的种类进行了总结。最后,对生物质碳材料的发展方向与应用前景进行了展望。
  • 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
    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。
  • 研究·开发
    史艳茹;薛振华;王喜明;王丽;王爱勤
    . 2013, 44(04): 502-506.
    本文以原位插层共聚法合成木质纤维素接枝丙烯酸/蒙脱土三维网络水凝胶(LNC-g-AA/MMT),探讨了丙烯酸与木质纤维素的质量比、丙烯酸单体浓度、中和度、引发剂用量和交联剂用量等因素对三维网络水凝胶吸附亚甲基兰性能的影响,吸附量高达1994.38 mg/g,并对最佳条件下吸附饱和的LNC-g-AA/MMT进行解吸研究,脱附率高达83.4%。用XRD、TEM 和TG 等方法对三维网络水凝胶的形貌和结构进行了表征。结果表明,木质纤维素接枝丙烯酸三维网络水凝胶(LNC-g-AA) 插层进入蒙脱土层间,蒙脱土结晶结构在反应过程中被破坏,形成剥离型纳米复合材料,LNC-g-AA/MMT 的热稳定性较LNC-g-AA 有所改善。
  • 研究 开发
    李刚;李方义
    . 2013, 44(13): 22-0.
    为解决不可降解的废弃塑料类包装材料对环境造成的污染,本文以稻草纤维、淀粉为主要原料制备了生物质缓冲包装材料,采用正交试验方法研究了生物质缓冲包装材料纤维与淀粉质量比、塑化剂、活性剂和发泡剂含量等对材料抗压强度的影响,结果表明:各因素对材料抗压强度影响的主次顺序为:塑化剂>纤维与淀粉质量比>发泡剂>活性剂。塑化剂含量为12%、纤维与淀粉质量比为2:5、发泡剂含量为0.1%、活性剂含量为0.3%时其抗压强度可达0.94MPa。研究了塑化剂含量、纤维与淀粉质量比对材料缓冲性能的影响,随着塑化剂含量和纤维与淀粉质量比增大,材料缓冲系数呈现先降低后升高的趋势,在纤维与淀粉质量比为2:5、塑化剂含量为12%时,材料的缓冲系数最小,缓冲性能最好。与EPS(发泡聚苯乙烯)和EPE(发泡聚乙烯)等包装材料缓冲性能和回弹性能的比较表明生物质缓冲包装材料完全可以替代EPS和EPE等缓冲包装材料。
  • 研究·开发
    彭娜娜;李倩;高宝玉;王瑞;岳钦艳;王燕
    . 2013, 44(01): 79-83.
    Baidu(26)
    采用水溶液聚合法将丙烯酰氧乙基三甲基化铵(DAC)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)三种单体接枝到纤维素骨架中合成玉米秸秆基两性高吸水性树脂。研究单体用量、秸秆用量、交联剂用量、引发剂用量、反应温度、反应时间和中和度对高吸水性树脂吸液率的影响。通过扫描电镜图、红外光谱图对其形貌进行表征。实验结果表明:在秸秆、AA、AM、DAC的质量分别为1g、5g、1g、0.5g,引发剂用量占单体比率为1.2%,交联剂用量占单体总量比率为0.1%,中和度为75%,反应时间为3h,反应温度为60℃的合成条件下,制备的高吸水性树脂(SAR)吸液率达最大,其吸水率为:235g/g,0.9%NaCl溶液的吸收率为:31g/g。
  • 研究与开发
    王泽甲;王泽甲
    . 2012, 43(17): 4-0.
    Baidu(34)
    本文采用小麦秸秆、玉米秸秆、锯末、中药渣作为吸油材料,重点研究了吸附材料粒径、吸附时间以及不同油品对这4种天然生物质材料的吸油性能的影响。同时,研究对比了这4种材料的吸水性能和保油能力。在对原油进行吸附试验时,发现锯末和小麦秸秆在0.25~0.83 mm粒径范围内具有较好的吸油性能,吸油量分别为5.79 g/g和6.02 g/g,其次为玉米秸秆,0.15~0.18 mm之间的材料吸油量最大能达到5.02 g/g,而中药渣在0.18~0.20 mm之间的吸油量仅为2.37 g/g。比较4种材料对有机物甲苯及植物油的吸附性能发现,其对原油的吸附效果优于植物油和甲苯。材料均有一定的保油能力,而锯末的保油能力最高,其油水比大于1 。由于天然生物质材料属固体废物,其吸油后可直接作为燃料使用,可达到以废治废的目的,因此在含油污水处理领域具有较好的开发和应用前景。
  • 工艺 ·技术
    高龙飞;赵东林;赵海静;李晓;李峰
    . 2013, 44(08): 1182-1187.
    Baidu(4)
    二氧化硅/生物质碳复合材料是溶胶-凝胶/碳热还原法制备生物质多孔碳化硅陶瓷的关键。以尺寸为60×18×5 mm3的松木为原材料,在105℃下干燥24h,在不同真空/加压条件下浸渍二氧化硅溶胶,经过干燥和循环浸渍在松木孔道中填充二氧化硅凝胶,将二氧化硅凝胶/松木复合材料在500℃氮气气氛下碳化2小时,制备出二氧化硅/生物质碳复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)对二氧化硅/生物质碳复合材料的形貌和结构进行表征,详细研究了浸渍压力和循环次数对二氧化硅/生物质碳复合材料结构的影响。
  • 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。
  • 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
    陈刚;王丽
    . 2014, 45(22): 27-0.
    Baidu(6)
    以原位插层共聚法制备木质纤维素-g-丙烯酸/丙烯酰胺/蒙脱土(LNC-g-AA/AM/MMT)纳米复合材料,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对其结构进行表征。研究在金属离子初始浓度、吸附时间、吸附温度、pH值等不同吸附条件下,LNC-g-AA/AM/MMT纳米复合材料对Pb2+、Cd2+吸附性能的影响。结果表明:当Pb2+、Cd2+初始浓度分别为0.04mol/L和0.06mol/L,吸附时间分别为120min和60min,吸附温度分别为40℃和30℃,pH值为5.5时,LNC-g-AA/AM/MMT纳米复合材料对Pb2+、Cd2+的吸附量分别高达504.2mg/g和246.9mg/g。整个吸附过程均符合Langmuir吸附等温线模型和伪二级动力学模型,且是个自发放热的反应过程。同时对最佳条件下吸附饱和的LNC-g-AA/AM/MMT纳米复合材料进行解吸研究,脱附率分别为93.4%和92.9%。
  • 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。
  • 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。
  • 综述·进展
    王晓丹, 马洪芳, 刘志宝, 陈张豪, 刘鑫鑫
    功能材料. 2017, 48(7): 7035-7040. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.007
    多孔生物质碳材料是一种由糖类或含碳有机废弃物制备的新型功能材料,具有比表面积大,孔隙率高,性能稳定,绿色环保的优点。其常见的制备工艺有直接碳化法,水热法以及活化法等。近年来,多孔生物质碳材料在土壤改良剂、吸附剂和电极材料等领域的应用受到了研究人员的广泛关注。介绍了多孔生物质碳材料的原料来源、制备工艺和应用情况,并对该材料今后的研究方向提出了建议。
  • 综述·进展
    鲍园园, 庞少峰, 赵向飞, 孙万虹, 孙初锋, 苏琼, 王彦斌
    功能材料. 2021, 52(4): 4071-4082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.04.011
    近年来合成类发泡材料得到广泛的应用,由于其不可降解和易燃性导致了一系列环境问题的发生,基于植物纤维的发泡材料具有生物降解性,可回收性和丰富性,有潜力替代传统的塑料类似物。生物质发泡材料的开发和应用可提高资源的利用率,进一步缓解资源短缺的压力,同时也满足了市场的需求,具有重大的经济意义和社会意义。本文综述了生物质资源的不同改性方法对生物质发泡材料性能的影响,重点介绍了生物质纤维素和木质素不同的改性方法及其发泡材料的应用,并对生物质发泡材料的应用前景做了展望。
  • 工艺·技术
    张伟风, 罗浪漫, 耿绍, 陈宏芳, 符丽梅, 温洋兵
    功能材料. 2022, 53(5): 5205-5212. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.027
    以丙烯酸纤维素纳米纤丝(ACL-CNF)为聚合轴心, 以过硫酸铵(NH4)2S2O8)为引发剂与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸(AMPS)通过反相悬浮聚合制备出复合水凝胶微球P(AAACC)。对P(AAACC)的聚合过程、微观形态、溶胀性、机械强度以及耐温耐盐性进行了研究。结果表明,在盐浓度为10%(质量分数)时平衡溶胀倍率为13.59 g/g, 在120 ℃时平衡溶胀倍率为30.15 g/g, 与普通水凝胶相比分别提高了2.63倍和3.15倍; 复合水凝胶颗粒在压缩比为85% 时恢复性为84.8%, 而普通水凝胶已经出现破裂;利用TG-DTG分析可以看出ACL-CNF与单体之间发生了共聚反应, 并且热稳定性得到了提升;在高温高盐下老化七天后复合水凝胶颗粒的保水率为92.1%与普通水凝胶相比提高了11%, 机械强度在去离子水和盐水中分别提升了2.5倍和2.79倍。
  • 研究与开发
    郭安福
    . 2012, 43(S1): 10-0.
    Baidu(8)
    生物质全降解类制品相关研究是目前国内外学者研究的热点。本文针对生物质全降解制品成型机理缺乏研究的问题,提出了生物质全降解材料的四步式发泡成型机理,研究了发泡过程中原料溶解阶段、气泡成核阶段、气泡增长阶段和固化定型阶段等四阶段相变机制。在原料溶解阶段,分析了原料混合相变机理及植物纤维存在形式。在气泡成核阶段,探讨了生物质全降解材料的均相成核机理及影响成核质量的因素。在气泡增长阶段,分析了气泡增长过程的受力情况,探讨了气泡发生膨胀、并泡、塌陷和破裂等状况的机理。在固化定型阶段,探讨了开始固化时机和固化速度等因素对生物质全降解材料固化定型的影响。
  • 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
    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。
  • 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。
  • 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
    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。
  • 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。
  • 工艺·技术
    赵莉君, 谢东, 黄瀚, 曾颖, 欧阳东坤, 魏育均, 程发良, 麦永津
    功能材料. 2022, 53(6): 6212-6218. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.06.030
    为了解决二硫化钼(MoS2)作为钠离子电池负极材料容量衰减快、倍率性能差的问题,通过简单的一步水热法在木棉花瓣生物质碳(PC)骨架上原位生长MoS2,并在材料表面包覆一层聚吡咯(PPy),制备形成了PC/MoS2@PPy复合材料。利用SEM、XRD、Raman与TG等表征技术分析了材料的形貌、结构以及成分,并通过组装半电池测试了其作为钠离子电池负极时的电化学性能。结果表明,层间距扩展至0.98 nm的MoS2纳米片均匀地负载在层状网络结构的生物质碳骨架上,并采用PPy作为包覆层构建了PC/MoS2@PPy三元夹心结构复合材料,这种层状夹心结构不仅提供了大量电化学反应活性位点,而且有效缓解了MoS2在长循环过程中的体积变化,生物质碳骨架联合PPy构成的三维导电网络有效提升了电极材料的导电性,促进电化学反应动力学。因此,PC/MoS2@PPy电极在0.1 A/g的电流密度下,首次放电容量高达652.9 mAh/g,循环100圈后比容量仍然保持在394 mAh/g,可逆容量保持率维持在91%。
  • 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。
  • 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。
  • 研究·开发
    韩佳佳, 王淼, 田苗, 吴呈珂, 高书燕
    功能材料. 2019, 50(2): 2094-2100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.02.014
    偶氮类染料因其色度高、毒性大的特点,借助传统处理方法很难对其进行有效降解。高级氧化技术中的阴极电芬顿法利用H2O2和Fe2+生成氧化能力较强的羟基自由基(·OH),从而实现水体中偶氮染料的高效降解。该研究选取生活中常见且蛋白质含量较高的韭苔为前驱体,以KHCO3为活化剂,高温热解制备生物质基碳电极材料(CS-R),并成功应用于电芬顿法降解甲基红(MR)体系。经过对所制备得到的系列样品进行优化筛选,CS-3表现出良好的氧还原性能,其作为阴极电催化剂对MR染料的降解效率在60 min时达到了99%。研究结果表明,高的比表面积、氮含量、石墨化程度和超亲水性对于生物质基碳材料的电芬顿降解性能至关重要,这为电芬顿体系阴极材料的选择、制备提供了技术指导。
  • 综述·进展
    任逸哲, 顾悦言, 杨心怡, 陈锦祥
    功能材料. 2016, 47(6): 6056-6062. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.010
    首先简述了发展秸秆建材的必要性、生产工艺,接着重点阐述了秸秆建材的特点和优势:(1) 秸秆建材保温隔热性能良好,其建筑物保温性好节能效果显著,并具有抗震防火隔音和有害挥发物少的特色;(2) 秸秆产量大、生产周期短,生产成本低,同时秸秆建材具有应用广泛施工便捷的特点,因此推广秸秆建材不仅环保护林而且具有很好的社会和经济效益。最后指出了发展秸秆建材的瓶颈所在,提出了利用仿生手法加强研发,开发隔热和环保功能材料,通过完善收购和建立产品标准、加强民众普及和政府宣传促进秸秆建材发展的若干具体措施。
  • 工艺·技术
    张峰,李伟,岳美辰,代少俊,陆荣,侯贵华,朱复东
    功能材料. 2017, 48(12): 12166-12170. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.12.030
    以丙烯酸为单体,K2S2O8-Na2SO3为氧化-还原引发剂,通过自由基溶液聚合在常温下一步制备了尿素/秸秆基高吸水树脂复合材料。通过扫描电镜和红外光谱对材料进行了表征。扫描电镜表明薄片状的秸秆粉和针状的尿素结晶均匀分散在高吸水树脂基体中,红外光谱进一步证明了尿素与秸秆基高吸水树脂复合在一起。复合材料中的尿素含量可以通过反应体系中尿素的加入量方便进行控制。尿素质量分数为10%,30%和50%的尿素/秸秆基高吸水树脂复合材料吸水倍率分别为318.0,167.2和109.3 g/g。水中溶出实验和土壤淋溶实验结果表明,制备的尿素/秸秆基高吸水树脂具有良好的尿素缓释性能,在缓释肥料方面具有良好的应用前景。
  • 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。
  • 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。
  • 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
    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
    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。
  • 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。
  • 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。
  • 工艺·技术
    杨玉山, 沈华杰, 邱坚
    功能材料. 2020, 51(7): 7196-7201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.07.031
    为进一步研究纤维素基结构-功能一体化复合材料,寻求一种简便、快捷和无污染、低成本的方法制备优良性生物基复合材料。通过机械胶膜法将小麦秸秆纤维和贝壳粉体有效的交联一起,再通过无胶热压得到层状结构的仿贻贝复合材料。借助SEM、EDS、FT-IR和XPS对仿贻贝复合材料的形貌结构、化学组分的主要基团和元素变化进行分析。通过机械热胶磨之后,小麦秸秆纤维会分层分支且无胶热压后呈层状结构;仿贻贝复合材料的静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)分别为29.58、5967和0.888 MPa;吸水厚度膨胀率(TS)仅为0.316%,表现出一定的尺寸稳定性。仿贻贝复合材料的MOR、MOE、IB以及TS均优于其他材料,这主要是由于胶磨过程产生的分层和分支使秸秆纤维素有更多的酯键和氢键,增大了比表面积,更多的羟基裸露,增加了纤维之间的交联作用,从而增大了仿贻贝复合材料的机械强度。