DOI: 10.1002/adfm.202207532

气凝胶是一种具有极低密度和高表面积的有趣材料，其性能独特、应用前景无限。为了促进其实际应用，有必要开发出高效、可控且低成本的方法，以可持续的方式大规模生产高性能气凝胶。本研究提出通过生物质衍生纳米纤维模板导向水热碳化方法可控制备一系列碳质纳米纤维气凝胶（CNFAs）。所制备碳质纳米纤维的表面暴露出丰富的官能团。重要的是，与传统的天然生物聚合物基气凝胶相比，通过调整合成参数，CNFAs实现了良好可回收性和高强度的优异组合。这种具有吸引力的材料的成功合成为快速水处理装置的设计和构建提供了一个极好的平台。综上，这项工作中提出的合成策略和可持续性概念为制备具有独特性能的新型气凝胶开辟一条新的途径，以实现其广泛应用。

图1.来自所有生物质前体的碳质纳米纤维气凝胶的合成过程示意图。a）淀粉样原纤维模板导向的HTC（水热碳化）。b）TOCN-NH2模板导向的HTC。c）BC-TOCN-NH2模板导向的HTC。d）脱乙酰甲壳素纳米纤维模板导向的HTC。

图2.CNF凝胶的直径和体积及其表面性质的调节。a-e）不同直径的P-CNFA的SEM图像。f）通过对含有400g葡萄糖的4L 2wt%淀粉样原纤维溶液进行水热碳化36h制备的≈4L整体水凝胶的照片。g）由不同模板获得的碳质纤维凝胶的红外光谱。h,i）淀粉样原纤维模板导向的CNF气凝胶和经800℃热解后的气凝胶的红外光谱h）和N2吸附-解吸等温线i）。

图3.CNF气凝胶的压缩特性。a）P-20-24气凝胶在40、60和80%不同设定应变ε下的压缩应力-应变曲线。b）P-20-24气凝胶在最大应变为60%的100个压缩循环中的循环应力-应变曲线。c）CNF气凝胶和选定的蜂窝材料（石墨烯海绵、CNT泡沫、BA-oda）的模量（E）与密度的关系图。d）CNF气凝胶和选定的蜂窝材料（壳聚糖气凝胶、LC-NCell气凝胶、np-G、NiP微晶格）的屈服应力（σy）与密度的关系图。e）P-CNFA以及天然生物聚合物气凝胶（纳米木、壳聚糖气凝胶、LC-NCell气凝胶）、热解天然生物聚合物气凝胶（C-AL/CNF、CNFAs（NHP-BC））、硅烷化天然生物聚合物气凝胶（超弹性CNF气凝胶、BC-PMSQ气凝胶、硅烷化木海绵）、金属晶格（镍微晶格、NiP微晶格、氧化铝中空纳米晶格）和聚合物气凝胶（RF气凝胶）的可回收性（≥40%压缩应变）与强度的关系图。

图4.P-CNFA对染料和重金属离子的吸附。a-d）染料和金属离子在P-CNFA上的平衡吸附等温线。a）亚甲基蓝，b）罗丹明b，c）Pb（II），d）Cu（II）。e）研究最多的纳米材料的成本和吸附能力估算。

图5.CNFA的快速染料去除。a）用于去除罗丹明B溶液的CNFA注射器膜的图像。b）罗丹明B过滤前后溶液的图像。c）罗丹明B结构，过滤前后的紫外-可见光谱。d）亚甲基蓝过滤前后溶液的图像。e）亚甲基蓝结构，过滤前后的紫外-可见光谱。f）使用带有CNFA颗粒的滤筒过滤1ppm亚甲基蓝溶液的设置。g）净化前（左）和净化后（右）的水。h）通量与滤筒中使用的CNFA的高度的关系。i,j）使用含有1g CNFA颗粒的滤筒去除MB的数据：i）1ppm MB；j）10ppm MB。