研究背景

生物聚合物/二氧化硅纳米复合气凝胶作为主要节能工程的隔热材料具有很高的吸引力，但通常受到它们缺乏机械强度和环境稳定性的困扰。木质素是一种有吸引力的植物酚类生物聚合物，由于其天然丰富性、高硬度、防水性和热稳定性。然而，由于不稳定的共溶胶过程，将木质素和二氧化硅整合到高性能的3D杂化气凝胶中仍然是一个巨大的挑战。在硅藻中，硅酸在缩合反应之前的稳定作用通过生物分子在非共价相互作用中的介入而增强。受这一机理的启发，华南农业大学王清文教授课题组基于乙二醇稳定的木质素/硅氧烷胶体，通过不寻常的水诱导自组装和原位矿化，合理地设计了一种具有可调多级微/纳米结构和任意可加工性的超强二氧化硅矿化木质素纳米复合气凝胶(LigSi)。

相关成果以“Water-Induced Self-Assembly and In Situ Mineralization within Plant Phenolic Glycol-Gel toward Ultrastrong and Multifunctional Thermal Insulating Aerogels”为题发表在国际期刊《ACS Nano》(IF=15.881)上。

研究内容

本文基于乙二醇稳定的木质素/硅氧烷胶体，通过不寻常的水诱导自组装和原位矿化，合理地设计了一种具有可调多级微/纳米结构和任意可加工性的超强二氧化硅矿化木质素纳米复合气凝胶(LigSi)。经过优化的LigSi具有超高的刚度(比模量为376.3 kN·m·kg-1 )，可以承受超过其自身重量5000倍的重量而不会发生明显变形。此外，气凝胶还展示了一系列出色的性能，包括优异的耐湿隔热性(在33-94%的相对湿度下保持在0.04 W·m-1·K-1)、可承受1200℃高温而不分解的出色耐火性、低近红外吸收率(9%)以及固有的自清洁/超疏水性能(158 WCA)。这些先进的性能使其成为恶劣环境下各种应用的理想隔热材料。作为概念验证，设计了一个双模式LigSi热装置，以展示被动集热与主动加热相结合在建筑中的应用前景。

主要数据

图一 LigSi的生物启发设计

图二 LigSi气凝胶的形貌和结构特征

图三 机械性能

图四 阻燃性能和自清洁(超疏水)性能

图五 双模式热装置

原文链接

https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acsnano.2c00755&ref=pdf