摘要
在全球关注可持续资源开发和能源高效利用的环境背景下，天然生物质材料的功能化利用已经成为近年来材料科学与技术领域的重要研究内容之一。纤维素是一种可再生资源，具有多层级尺度结构、丰富的表面羟基基团、高结晶度、高强度、高热稳定性、低热膨胀系数等诸多优点。因此，本论文以纤维素作为构筑单元，选择性引入其他功能活性单元，通过自聚集组装、聚集成型等方法，在纤维素的多级尺度上加以调控并实现高性能功能材料的设计和制备。将所构筑的功能材料与能源领域相结合，组装能量储存/转换器件。针对纤维素的制备方法、复合功能材料的构效关系、应用器件的性能用途等科学问题开展研究和讨论，主要研究内容如下: （1）将高长径比的纳米纤维素水悬浊液与低成本的商业碳纳米管（CNT）乙醇分散液混合，随后采用真空抽滤结合冷冻干燥的方法，制备了具有上下表面非对称结构的NFC/CNT复合凝胶薄膜材料。对薄膜中构筑单元的比例以及薄膜的干燥方法进行了优选，系统研究了得到的NFC/CNT复合凝胶薄膜的微观形貌、孔隙结构、柔韧性、导电性和机械性能等。研究发现纤维素为凝胶材料提供了机械强度和活性羟基，碳纳米管提供导电性。当NFC和CNT的质量比为6∶4时得到的气凝胶密度为0.064gcm-3，孔隙率为50％，上下表面（致密/松散侧）的电导率分别为81.3Sm-1和67.1Sm-1。将其作为电极材料组装成锂硫电池，发现这种凝胶包含的纤维网络纠缠结构和不对称多孔结构具有协同效应:松散一侧表面粗糙，有许多大孔，有利于电解液浸润、渗透和扩散;致密一侧表面光滑，孔径小于几微米并分布均匀，有利于抑制LiPSs的穿梭，从而提高电池性能。组装的锂硫电池在1C的电流密度下初始容量为1004.1mAhg-1，1000次循环后的容量保留率为89.6％,平均库仑效率为99.7％左右。证明了这种非对称结构的纤维素基复合气凝胶薄膜在能量储存领域具备一定的应用潜力。 （2）相比于纳米碳材料，导电聚合物因其较高的能量密度倍受关注。因此仍将纤维素作为网络骨架物质，选用聚吡咯（PPy）作为导电功能填料，基于溶液/溶剂置换和原位聚合策略制备纤维素/聚吡咯复合水凝胶。深入研究不同制备方案对复合水凝胶的微观形貌、结构特性、力学性能、化学组成的影响。研究发现过硫酸铵置换得到的NFC凝胶具有最优异的纳米纤维互连网络结构，200nm的聚吡咯颗粒在植酸的交联作用下原位聚合且均匀覆盖在纤维素纳米纤维上，得到了均匀、柔韧、自支持的导电复合水凝胶。将其作为超级电容器的电极材料，测试了其电化学性能，并深入探究了优化制备策略和材料结构特性对电化学性能和储能机理的影响。发现这种纤维素基复合凝胶电极表现出明显的赝电容，PPy的均匀分布为水凝胶提供了导电性、快速电荷转移和离子扩散能力。其中PPy/NFC-1展现了最高的比电容为204.9Fg-1,在12000次循环后电容保持率仍为100％。即使在5Vm-1的极高扫速下，仍能保持良好的电容特性与倍率性能，进一步验证了纤维素基功能材料在能量储存领域的应用可行性。 （3）聚吡咯除了具有导电性，还具有良好的光热转换特性，因此利用其此特性，与纤维素相结合共同制备纤维素基吸湿凝胶。将纤维素/壳聚糖气凝胶作为骨架物质，随后引入聚吡咯和氯化锂分别作为光热转换组分和吸湿组分，将二者封装和负载到凝胶网络的表面和内部。采用冰模板法设计了一种包含定向垂直孔道结构的纤维素基吸湿凝胶材料。氯化锂的吸湿性和凝胶的特殊孔道结构赋予了材料超强的湿气吸附动力学和储水能力。由于聚吡咯的高效光热转换效率，在太阳光下能够将吸收的光能转换为热能，进而驱动材料内部的水解吸。进一步设计了基于光热转换的液态水收集器件，记录了其在户外环境的空气取水过程，成功从空气中获得液态水。验证了纤维素基材料在能量转换器件的设计组装领域具有巨大潜力。 （4）同样利用聚吡咯的光热转换特性，以纤维素片状材料作为基底，设计了具有不对称结构的纤维素基驱动器材料，成功实现光能、热能以及机械能之间的转换。首先采用与第二、三章类似的原位聚合方法制备了一种纤维素/聚吡咯片状复合材料，将其作为基底，在其一侧涂覆了镍吸湿凝胶作为亲水层吸收空气中的湿气，另一侧覆盖聚酰亚胺膜作为疏水层阻挡水分进入。得益于其不对称水亲和力的特殊结构，该纤维素基驱动器能够在湿气刺激下伸展，并且由于聚吡咯的存在，驱动器可以在热、光刺激下弯曲。对驱动器的力学性能、变形机制、响应速度，响应条件，适应的工作温度范围、实际应用等进行了详细的对比及探究。发现与传统软驱动器相比，纤维素基不对称驱动器可以在70-170℃的较宽温度范围内工作，且具有优异的力学性能和载荷能力。设计了一只仿生机械手和一系列执行装置，模拟多个抓取物体的过程和场景，发现其具有超强的捕获目标物体的能力。纤维素基驱动器的开发为纤维素材料在能量转换器件设计领域提供了可靠支持。
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