氣凝膠是一種由膠體顆粒或高分子鏈聚集形成的、具有豐富的納米級孔隙的三維多孔材料，具有高比表面和高孔隙率的優點。自其誕生起，就成為學術界和工業界的“明星材料”。最近十年，伴隨著可持續發展觀念普及，生物聚合物氣凝膠因其具有高密度的特定基團以及高生物相容性成為材料科學的研究熱點。在眾多生物質聚合物材料中，殼聚糖是自然界僅次于纖維素的第二大豐富的聚合物，更重要的是其分子結構中含有大量的氨基，使其具有一些獨特的性質：較好的水溶性，氨基在水性酸溶劑中可以被質子化為NH3+，促使其發生溶解，這使得通過自下而上的分子方法設計構建微納米結構的各種途徑成為可能；氨基具有高的化學反應活性和生物醫用功能；氨基可以作為N摻雜碳材料的氮源。得益于上述特性，理化所油氣開發及節能環保新材料研發中心微珠課題組近幾年圍繞殼聚糖氣凝膠開展了其在隔熱保溫、電磁波吸收、海水淡化、氣體吸附等領域的研究工作。
在隔熱保溫領域，課題組通過單向冷凍鑄造和硅烷化改性制備了一種輕質、大尺寸、有彈性、具有優異熱管理能力的各向異性殼聚糖氣凝膠。使用理論計算分析了微觀結構對力學和熱性能的影響，以及各向異性傳熱行為。各向異性殼聚糖氣凝膠呈現蜂窩狀多孔和層狀結構，從而具有先進的熱管理能力，其徑向熱導率較低（30.4 mW m-1 K-1）而軸向熱導率高出兩倍（60.1 mW m-1 K-1）。計算結果表明，各向異性殼聚糖氣凝膠的熱管理能力優于各向同性材料（熱導率分別為10和22 mW m-1 K-1）。這為進一步設計用于超隔熱應用的生物聚合物氣凝膠提供了參考。（ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021, 9, 28, 9348-9357）
各向異性殼聚糖氣凝膠的傳熱機理和性能
為了滿足更復雜的場景中的應用，課題組將不同比例的空心玻璃微球加入到殼聚糖氣凝膠中，充分發揮了殼聚糖氣凝膠化學交聯形成網絡結構和空心玻璃微球堆積形成骨架結構的協同作用，制備出密度低、孔隙率高、導熱系數低、力學性能好、阻燃性能優異的生物質氣凝膠/空心玻璃微球復合材料。相比于不能形成網狀結構的傳統膠粘劑，空心玻璃微球通常以最大體積填充，否則，空心玻璃微球在膠粘劑中分布不均勻，導致復合材料性能變差。與傳統膠粘劑不同，具有多孔網絡結構的殼聚糖氣凝膠不僅可以通過高孔隙率降低導熱系數，還可以通過化學交聯作用調節空心玻璃微球的填充體積，實現均勻分布。另一方面，當提高空心玻璃微球的填充比例至40%以上，不僅能夠增強阻燃作用，還可使均勻分布的空心玻璃微球堆積形成骨架結構，增強復合材料的力學性能。通過二者之間的協同作用，可以實現復合材料在密度、熱導率、力學強度和阻燃性能等方面的調控。（International Journal of Biological Macromolecules. 2024, 256, 2, 128329）
殼聚糖氣凝膠/空心玻璃微球復合材料的制備流程、電鏡圖和隔熱性能
在海水淡化領域，課題組基于殼聚糖氣凝膠設計一種集光吸收、熱管理、水傳輸和耐鹽性于一體的可持續蒸發器。通過簡單的沉積法制備了殼聚糖氣凝膠-碳納米管（CA-CNT） 雙層結構的太陽能界面蒸發器。親水性CA基材具有低導熱性和垂直排列的孔道結構，有利于提升蒸發器的蒸發效率、水傳輸能力和耐鹽性。上層CNT顯示出95.04%的出色太陽光吸收率。在一個太陽能強度下（1 kw m-2），蒸發器的蒸發速率為1.55 kg m-2 h-1。在室外自然光條件下測試其實際適用性，淡水產量為7.15 kg m-2 d-1，可以滿足三個成年人一天的需水量。此外，該蒸發器還表現出良好的重金屬和染料污水凈化能力。這項工作為從海水和污水中獲取淡水提供了一種簡單的策略。（Chemical Engineering Journal Advances. 2022, 10, 15, 100260）
殼聚糖氣凝膠-碳納米管雙層結構蒸發器的耐鹽機理、蒸發性能和海水淡化性能
為了進一步提升蒸發器的蒸發性能和耐鹽性，課題組采用一鍋原位策略和徑向冷凍法制備得到了具有徑向孔道的殼聚糖/碳納米管氣凝膠，并使用無塵紙棒作為一維向上水傳輸的通道，從而構建了一種新型3D結構的太陽能界面蒸發器（R-CSC）。其獨特的水傳輸路徑可以增強蒸發器頂部鹽溶液的徑向傳輸并使鹽分在頂部邊緣定向沉積，從而實現了零液體排放和鹽分的收集。通過實驗和熱力學計算證明，增加蒸發器的高度可以有效提高蒸發性能。對于直徑為1.7 cm的R-CSC蒸發器，當蒸發器高度增加到3 cm時，太陽能蒸發速率高達2.93 kg m-2 h-1，太陽能蒸發效率為97.86 %。此外，還系統性研究了相對濕度對3D蒸發器蒸發性能的影響。在此基礎上，進一步研究了材料特性、水體溶液和工作環境對蒸發器鹽沉積行為的影響，可以指導研究人員根據具體條件進行合理設計，實現邊緣定向鹽沉積。（Chemical Engineering Journal. 2025, 515, 1, 163411）
3D殼聚糖/碳納米管氣凝膠蒸發器的定向鹽沉積機理和鹽沉積行為調控
未來，團隊將進一步利用生物質氣凝膠開展其在輻射制冷、大氣水收集和CO2氣體吸附等領域的研究工作。
ACS Sustainable Chemistry & Engineering:?https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c02217
International Journal of Biological Macromolecules:?https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128329
Chemical Engineering Journal Advances:?https://doi.org/10.1016/j.ceja.2022.100260
Chemical Engineering Journal:?https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163411
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