摘要
生物质衍生材料因其环保和低成本的优势吸引了越来越多的关注。以往发展的不同生物质纳米纤维的多种提取制备技术为功能化生物质衍生材料的制备奠定了坚实的基础。以自然界中广泛存在的生物质（纤维素、几丁质、蛋白质）为原料，可制备多种功能化纳米纤维及其衍生气凝胶，这些气凝胶在能源存储与转化、环境保护与治理和生物医疗等领域中有广阔的应用前景。尽管研究者们已在生物质衍生材料的制备和应用方面取得了许多重要的进展，然而如何优化设计气凝胶结构并实现功能化生物质纤维衍生材料的高效制备，以及如何通过简便化方法实现功能纳米纤维气凝胶的廉价宏量制备，仍然是目前亟待解决的关键问题。 本论文通过对生物质纳米纤维表面官能团调控和模板效应的深入研究，实现了多种功能化纳米纤维及纳米纤维气凝胶的制备，包括碳纳米纤维、水热碳质纳米纤维、二氧化硅纳米纤维和间苯二酚甲醛酚醛树脂纳米纤维等。其中，多步模板法制备得到的碳纳米纤维展现了优异的氧还原催化活性；全生物质衍生的碳质纳米纤维气凝胶在污水处理和力学缓冲材料领域具有应用潜力；探索了多种不同组成、不同长径比的生物质纳米纤维的模板效应，并进一步对纤维模板指引凝胶化机理进行了系统的研究；还利用盐颗粒析出和分解，实现了生物质纳米纤维衍生碳纳米纤维气凝胶的常压干燥制备。其主要研究成果总结如下： 1、发展了一种碳质纳米纤维催化剂的多步模板法制备方法。基于生物质衍生的水热碳质纳米纤维，结合多步模板效应，制备了一种高效、多级孔结构的铁、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。通过聚吡咯包覆碳质纳米纤维的二氧化硅壳层保护热解方法，显著限制了热解过程中铁原子的迁移，从而抑制无机铁基纳米颗粒的生长，促进了更多的铁-氮活性位点形成。同时，热解过程结合刻蚀在碳纳米纤维表面形成大量的微孔/介孔复合结构。该纳米纤维催化剂在起始电位、半波电位、电子转移数等方面均表现出优异的氧还原反应性能。这一简单、高效的合成策略的发展，为设计多组分、多级结构碳纳米纤维催化剂提供了新的思路和途径。 2、发展了一种生物质纳米纤维模板指引水热碳化-凝胶化方法，并探究了水热碳化-凝胶化的临界条件。利用纤维素纳米纤维、几丁质纳米纤维和蛋白质纳米纤维的表面官能团修饰和调控，可控制备了多种不同长径比的全生物质衍生碳质纳米纤维气凝胶，实现了水热碳质纳米纤维气凝胶的绿色宏量制备。通过调控全生物质衍生碳质纳米纤维气凝胶颗粒在污水处理和力学缓冲材料领域显示出很好的应用前景。这一普适性的水热碳化-凝胶化方法为生物质衍生水凝胶和气凝胶的商业化应用具有重要意义。 3、在纤维模板指引水热碳化-凝胶化研究的基础上，发展了一种生物质衍生纳米纤维模板指引纳米纤维凝胶化的制备方法。以生物质衍生纳米纤维为模板，在不同pH环境中制备得到了二氧化硅纳米纤维和酚醛树脂纳米纤维。通过合成参数调控，得到纳米纤维水凝胶，进一步通过超临界干燥或者常压干燥制备得到了相应的纳米纤维气凝胶。通过选用不同的硅源前驱体，方便地实现了对二氧化硅纳米纤维气凝胶亲疏水性和力学强度的调控。通过对反应条件的控制，实现了对间苯二酚甲醛树脂纳米纤维形貌的调控。这一简单、高效的凝胶制备方法为后续纳米纤维基凝胶的性能优化设计提供了新的思路和途径。 4、发展了一种无机盐介导的气凝胶常压干燥制备方法。通过无机盐颗粒增强凝胶结构的强度，实现了生物质衍生碳纳米纤维气凝胶的常压干燥制备。利用氯化铵在低温有机溶剂中的析出和高温下的分解，制备得到了低密度（4.02毫克/毫升）、超弹性、耐疲劳的碳纳米纤维气凝胶。这一种绿色、简便、高效的生物质衍生碳纳米纤维气凝胶制备方法对生物质气凝胶和碳气凝胶的商业化应用具有重要意义。
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