木材气凝胶微纳仿生结构形成及高密度储能机制研究

Aerogels, a class of ultralight materials filled with air and composed of three-dimensional and micro-nano porous networks, have now been the focus and gained frontier position in many domains. However, the traditional down-top synthetic strategy of aerogels (i.e., by virtue of the reassembly of atoms or molecules) generally consumes much energy and time and has high randomness, severely restricting industrialization applications of aerogels. Herein, this project will adopt a natural polymer gel (wood) as feedstock and tries to create a fast and facile top-down synthetic strategy, to develop novel wood aerogels possessing micro-nano biomimetic structure. The effects of parameters during the top-down physical/chemical/biological treatments (e.g., temperature, pH value, pressure, concentration and biochemical action) on the transformation of wood structure to particular natural structures (like lamellar and honeycomb structures) will be carefully studied. Moreover, surface chemical groups of wood aerogels will be quantitatively analyzed. A directional modification process will be formulated based on the physicochemical property of active materials, for the sake of establishing a rule of high-efficiency and high-density combination between wood aerogels and active materials and achieving a significant improvement on the energy storage characteristics of wood aerogels-based composites. We believe that the study of this project can provide technical support for the development of aerogels-based functional materials and the high-value utilization of wood.

气凝胶是一种由气体填充的且具有三维微、纳米多孔网络结构的超轻材料，是当前很多领域的研究前沿和热点。然而，气凝胶的合成一般采用自下而上的策略，即通过原子、分子间的重新组装；这种策略往往需要耗费大量能量和时间，且随机性较大，因此限制了这一材料的工业化应用前景。本项目以天然高分子凝胶——木材为原料，拟发展快速、简便的自上而下合成策略，构建具有微纳仿生结构的新型木材气凝胶。研究自上而下的物理、化学、生物等单一或耦合处理中的温度、pH值、压力、浓度、生化作用等参数对诱导木材微观结构向层积结构、蜂巢结构等独特自然结构转变的影响规律。对木材气凝胶表面官能团进行定量解译，针对活性功能单元的理化特性，明确木材气凝胶的定向修饰方法，建立活性功能单元在木材气凝胶微纳仿生结构中的高效/高密度复合机制，实现木材气凝胶复合材料的关键储能特性的显著提升，为气凝胶功能材料开发与木材高值化利用提供技术保障。

木材是一种天然高分子凝胶材料。木材独特的低曲率各向异性结构、丰富的表面活性官能团等特性为其制备新型储能复合材料奠定了基础。然而，木材特殊的结构特征（特别是丰富的毛细管结构）严重抑制了改性剂和活性功能材料导入到木材深层的细胞腔和细胞壁内，因此造成浸注时间过长而导致高能耗、药剂用量过大以及药剂在木材中渗透不均匀等问题。为此，本项目首先创新恒温蒸煮结合NaOH-Na2SO3联合处理法、冰模板法等手段对木材微观结构进行了动态转化、拆解与重组，创制了仿贝鞘天然层状结构的综纤维素各向异性框架、仿阵列结构的各向异性木质炭气凝胶、仿蜂巢结构的各向异性管道等木材气凝胶微纳仿生结构，建立了木材微观结构向气凝胶型仿生结构转变的策略，有效减弱了改性剂和活性功能单元的导入阻力。随后，本项目采用XPS、FTIR、Raman光谱等多种表征技术对木材表面官能团进行了详细解析，探明了在多种工艺处理前后木材表面的官能团种类、分布等特性的变化情况，采用双网络交联修饰、氢键重组和络合交联修饰等方法对木材气凝胶进行分子尺度的定向修饰与活化，攻克了活性单元在与木材水凝胶/气凝胶复合时界面相容性差、结合力弱等难题。最后，通过溶剂热反应、超声辅助组装、PECVD等技术，在木材气凝胶仿生结构上负载多种活性功能单元，并通过调整反应过程参数优化活性功能单元的微观形貌、比表面积、电子密度等影响其储能特性的关键理化性质，揭示了木材气凝胶复合材料的多元成分耦合对电化学储能过程中离子高速迁移和电子快速传导的影响机制，创制了高比电容、高能量密度、高功率密度、高倍率特性和强循环稳定性的木材气凝胶系列复合材料。项目执行期内，发表SCI收录论文14篇（中科院1区论文6篇），其中IF>10的论文4篇；申请国家发明专利3件、国际专利1件；培养硕士研究生4名；出版学术专著1部，参与获得国家林草局梁希林业科技奖一等奖；主持人入选国家“万人计划”青年拔尖人才。