气凝胶是一种由胶体颗粒或高分子链聚集形成的、具有丰富的纳米级孔隙的三维多孔材料，具有高比表面和高孔隙率的优点。自其诞生起，就成为学术界和工业界的“明星材料”。最近十年，伴随着可持续发展观念普及，生物聚合物气凝胶因其具有高密度的特定基团以及高生物相容性成为材料科学的研究热点。在众多生物质聚合物材料中，壳聚糖是自然界仅次于纤维素的第二大丰富的聚合物，更重要的是其分子结构中含有大量的氨基，使其具有一些独特的性质：较好的水溶性，氨基在水性酸溶剂中可以被质子化为NH₃⁺，促使其发生溶解，这使得通过自下而上的分子方法设计构建微纳米结构的各种途径成为可能；氨基具有高的化学反应活性和生物医用功能；氨基可以作为N掺杂碳材料的氮源。得益于上述特性，理化所油气开发及节能环保新材料研发中心微珠课题组近几年围绕壳聚糖气凝胶开展了其在隔热保温、电磁波吸收、海水淡化、气体吸附等领域的研究工作。

在隔热保温领域，课题组通过单向冷冻铸造和硅烷化改性制备了一种轻质、大尺寸、有弹性、具有优异热管理能力的各向异性壳聚糖气凝胶。使用理论计算分析了微观结构对力学和热性能的影响，以及各向异性传热行为。各向异性壳聚糖气凝胶呈现蜂窝状多孔和层状结构，从而具有先进的热管理能力，其径向热导率较低（30.4 mW m^-1 K^-1）而轴向热导率高出两倍（60.1 mW m^-1 K^-1）。计算结果表明，各向异性壳聚糖气凝胶的热管理能力优于各向同性材料（热导率分别为10和22 mW m^-1 K^-1）。这为进一步设计用于超隔热应用的生物聚合物气凝胶提供了参考。（ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021, 9, 28, 9348-9357）

各向异性壳聚糖气凝胶的传热机理和性能

为了满足更复杂的场景中的应用，课题组将不同比例的空心玻璃微球加入到壳聚糖气凝胶中，充分发挥了壳聚糖气凝胶化学交联形成网络结构和空心玻璃微球堆积形成骨架结构的协同作用，制备出密度低、孔隙率高、导热系数低、力学性能好、阻燃性能优异的生物质气凝胶/空心玻璃微球复合材料。相比于不能形成网状结构的传统胶粘剂，空心玻璃微球通常以最大体积填充，否则，空心玻璃微球在胶粘剂中分布不均匀，导致复合材料性能变差。与传统胶粘剂不同，具有多孔网络结构的壳聚糖气凝胶不仅可以通过高孔隙率降低导热系数，还可以通过化学交联作用调节空心玻璃微球的填充体积，实现均匀分布。另一方面，当提高空心玻璃微球的填充比例至40%以上，不仅能够增强阻燃作用，还可使均匀分布的空心玻璃微球堆积形成骨架结构，增强复合材料的力学性能。通过二者之间的协同作用，可以实现复合材料在密度、热导率、力学强度和阻燃性能等方面的调控。（International Journal of Biological Macromolecules. 2024, 256, 2, 128329）

壳聚糖气凝胶/空心玻璃微球复合材料的制备流程、电镜图和隔热性能

在海水淡化领域，课题组基于壳聚糖气凝胶设计一种集光吸收、热管理、水传输和耐盐性于一体的可持续蒸发器。通过简单的沉积法制备了壳聚糖气凝胶-碳纳米管（CA-CNT） 双层结构的太阳能界面蒸发器。亲水性CA基材具有低导热性和垂直排列的孔道结构，有利于提升蒸发器的蒸发效率、水传输能力和耐盐性。上层CNT显示出95.04%的出色太阳光吸收率。在一个太阳能强度下（1 kw m^-2），蒸发器的蒸发速率为1.55 kg m^-2 h^-1。在室外自然光条件下测试其实际适用性，淡水产量为7.15 kg m^-2 d^-1，可以满足三个成年人一天的需水量。此外，该蒸发器还表现出良好的重金属和染料污水净化能力。这项工作为从海水和污水中获取淡水提供了一种简单的策略。（Chemical Engineering Journal Advances. 2022, 10, 15, 100260）

壳聚糖气凝胶-碳纳米管双层结构蒸发器的耐盐机理、蒸发性能和海水淡化性能

为了进一步提升蒸发器的蒸发性能和耐盐性，课题组采用一锅原位策略和径向冷冻法制备得到了具有径向孔道的壳聚糖/碳纳米管气凝胶，并使用无尘纸棒作为一维向上水传输的通道，从而构建了一种新型3D结构的太阳能界面蒸发器（R-CSC）。其独特的水传输路径可以增强蒸发器顶部盐溶液的径向传输并使盐分在顶部边缘定向沉积，从而实现了零液体排放和盐分的收集。通过实验和热力学计算证明，增加蒸发器的高度可以有效提高蒸发性能。对于直径为1.7 cm的R-CSC蒸发器，当蒸发器高度增加到3 cm时，太阳能蒸发速率高达2.93 kg m^-2 h^-1，太阳能蒸发效率为97.86 %。此外，还系统性研究了相对湿度对3D蒸发器蒸发性能的影响。在此基础上，进一步研究了材料特性、水体溶液和工作环境对蒸发器盐沉积行为的影响，可以指导研究人员根据具体条件进行合理设计，实现边缘定向盐沉积。（Chemical Engineering Journal. 2025, 515, 1, 163411）

3D壳聚糖/碳纳米管气凝胶蒸发器的定向盐沉积机理和盐沉积行为调控

未来，团队将进一步利用生物质气凝胶开展其在辐射制冷、大气水收集和CO₂气体吸附等领域的研究工作。

文章链接

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